Fjäder (enhet)

Spiralfjädrar designade för spänning

En kraftig spiralfjäder designad för kompression och spänning

Den engelska långbågen – en enkel men mycket kraftfull fjäder gjord av idegran , som mäter 2 m (6 fot 7 tum) lång, med en dragvikt på 470 N (105 lbf) , med varje lem funktionellt en fribärande fjäder.

Kraft (F) vs förlängning (s). Fjäderegenskaper: (1) progressiv, (2) linjär, (3) degressiv, (4) nästan konstant, (5) progressiv med knä

En bearbetad fjäder innehåller flera funktioner i ett stycke stånglager

Militär booby trap -avfyrningsanordning från USSR (normalt ansluten till en snubbeltråd ) som visar fjäderbelastad slagstift

En fjäder är ett elastiskt föremål som lagrar mekanisk energi och potentiell energi . I dagligt bruk syftar termen ofta på spiralfjädrar , men det finns många olika fjäderdesigner. Moderna fjädrar tillverkas vanligtvis av fjäderstål , även om vissa icke-metalliska föremål som bågen också är fjädrar.

När en konventionell fjäder, utan styvhetsvariationsegenskaper, komprimeras eller sträcks från sitt viloläge, utövar den en motverkande kraft som är ungefär proportionell mot dess längdförändring (denna approximation bryts ner för större avböjningar). Hastigheten eller fjäderkonstanten för en fjäder är förändringen i kraften den utövar, dividerad med förändringen i fjäderns nedböjning . Det vill säga, det är gradienten för kraften mot avböjningskurvan . En förlängnings- eller tryckfjäders hastighet uttrycks i kraftenheter dividerat med avstånd, till exempel eller N/m eller lbf/in. En torsionsfjäder är en fjäder som fungerar genom att vrida sig; när den vrids runt sin axel med en vinkel, producerar den ett vridmoment som är proportionellt mot vinkeln. En torsionsfjäders hastighet är i vridmomentenheter dividerat med vinkel, såsom N·m / rad eller ft·lbf /grad. Det omvända till fjäderhastigheten är följsamhet, det vill säga: om en fjäder har en frekvens på 10 N/mm har den en följsamhet på 0,1 mm/N. Styvheten (eller hastigheten) av fjädrar i parallell är additiv , liksom eftergivligheten av fjädrar i serie.

Fjädrar är gjorda av en mängd olika elastiska material, det vanligaste är fjäderstål. Små fjädrar kan lindas av förhärdat material, medan större är gjorda av glödgat stål och härdas efter tillverkning. Vissa icke-järnmetaller används också, inklusive fosforbrons och titan för delar som kräver korrosionsbeständighet och berylliumkoppar för fjädrar som bär elektrisk ström (på grund av dess låga elektriska motstånd).

Historia

Enkla icke spiralfjädrar användes genom mänsklighetens historia, t.ex. bågen ( och pilen). Under bronsåldern användes mer sofistikerade fjäderanordningar, vilket framgår av spridningen av pincett i många kulturer. Ctesibius av Alexandria utvecklade en metod för att tillverka brons med fjäderliknande egenskaper genom att tillverka en legering av brons med en ökad andel tenn, och sedan härda den genom att hamra efter att den gjutits.

Spiralfjädrar dök upp tidigt på 1400-talet, i dörrlås. De första vårdrivna klockorna dök upp under det århundradet och utvecklades till de första stora klockorna på 1500-talet.

postulerade den brittiske fysikern Robert Hooke Hookes lag , som säger att kraften en fjäder utövar är proportionell mot dess förlängning.

Typer

En spiral torsionsfjäder, eller hårfjäder , i en väckarklocka .

Batterikontakterna har ofta en variabel fjäder

En volutfjäder . Under kompression glider spolarna över varandra, vilket ger längre rörelse.

Vertikala volutfjädrar i Stuart tank

Val av olika bågfjädrar och bågfjädersystem (system bestående av inre och yttre bågfjädrar).

Spännfjädrar i en hopfälld linje efterklangsanordning.

En torsionsstång vriden under belastning

Lövfjäder på en lastbil

Klassificering

Fjädrar kan klassificeras beroende på hur belastningskraften appliceras på dem:

Drag-/förlängningsfjäder

Fjädern är konstruerad för att fungera med en spänningsbelastning , så att fjädern sträcker sig när belastningen appliceras på den.

Kompressionsfjäder

Designad för att arbeta med en kompressionsbelastning, så att fjädern blir kortare när belastningen appliceras på den.

Torsionsfjäder

Till skillnad från ovanstående typer där belastningen är en axiell kraft, är belastningen som appliceras på en vridfjäder ett vridmoment eller vridkraft, och fjäderns ände roterar i en vinkel när belastningen appliceras.

Konstant fjäder

Understödd belastning förblir densamma under hela böjningscykeln

Variabel fjäder Spolens

belastningsmotstånd varierar under kompression Fjäder med

variabel styvhet Spolens

motstånd mot belastning kan varieras dynamiskt till exempel av styrsystemet, vissa typer av dessa fjädrar varierar också sin längd och tillhandahåller därigenom även aktiveringsförmåga

De kan också klassificeras baserat på deras form:

Flat fjäder

Tillverkad av ett platt fjäderstål .

Maskinbearbetad fjäder

Tillverkad genom att bearbeta stångmaterial med en svarv och/eller fräsoperation snarare än en lindningsoperation. Eftersom den är bearbetad kan fjädern ha funktioner utöver det elastiska elementet. Maskinbearbetade fjädrar kan tillverkas i de typiska belastningsfallen kompression/förlängning, vridning, etc.

Serpentinfjäder

En sicksack av tjock tråd, ofta använd i modern klädsel/möbler.

Strumpebandsfjäder

En spiralfjäder av stål som kopplas ihop i vardera änden för att skapa en cirkulär form.

Vanliga typer

De vanligaste typerna av våren är:

Fribärande fjäder

En platt fjäder fäst endast i ena änden som en fribärande , medan den frihängande änden tar lasten.

Spiralfjäder

Även känd som en spiralfjäder. En fjäder (gjord genom att linda en tråd runt en cylinder) är av två typer:

• Spänn- eller förlängningsfjädrar är konstruerade för att bli längre under belastning. Deras varv (öglor) är normalt vidrörande i obelastat läge, och de har en krok, öga eller något annat sätt att fästa i varje ände.
• Kompressionsfjädrar är konstruerade för att bli kortare vid belastning. Deras varv (öglor) berör inte varandra i obelastat läge, och de behöver inga fästpunkter.
• Hålrörsfjädrar kan vara antingen förlängningsfjädrar eller tryckfjädrar. Ihåliga slangar är fyllda med olja och medel för att ändra det hydrostatiska trycket inuti slangen såsom ett membran eller miniatyrkolv etc. för att härda eller slappna av fjädern, ungefär som det händer med vattentrycket inuti en trädgårdsslang. Alternativt väljs slangens tvärsnitt av en form så att den ändrar sin area när slangen utsätts för vridningsdeformation: förändring av tvärsnittsarean översätts till förändring av slangens inre volym och flödet av olja in/ut ur fjädern som kan kontrolleras av en ventil för att därigenom kontrollera styvheten. Det finns många andra konstruktioner av fjädrar av ihåliga rör som kan ändra styvhet med vilken frekvens som helst, ändra styvhet med en multipel eller röra sig som ett linjärt manöverdon förutom sina fjäderegenskaper.

Bågfjäder

En förböjd eller bågformad spiralformad tryckfjäder, som kan överföra ett vridmoment runt en axel.

Spiralfjäder

En kompressionsspiralfjäder i form av en kon så att spolarna under kompression inte tvingas mot varandra, vilket medger längre rörelse.

Balansfjäder

Även känd som hårfjäder. En delikat spiralfjäder som används i klockor , galvanometrar och platser där elektricitet måste transporteras till delvis roterande enheter som rattar utan att hindra rotationen.

Bladfjäder

En platt fjäder som används i fordonsupphängningar , elektriska strömbrytare och bågar .

V-fjäder

Används i antika skjutvapenmekanismer som hjullås , flintlås och slaglock . Även dörrlåsfjäder, som används i antika dörrlåsmekanismer.

Andra typer

Andra typer inkluderar:

Belleville bricka

En skivformad fjäder som vanligen används för att applicera spänning på en bult (och även i initieringsmekanismen för tryckaktiverade landminor )

Konstantkraftsfjäder

Ett hårt rullat band som utövar en nästan konstant kraft när det rullas ut

Gasfjäder

En volym av komprimerad gas.

Ideal fjäder

En tänkt fjäder som används inom fysik: den har inga vikt-, massa- eller dämpningsförluster. Kraften som utövas av fjädern är proportionell mot det avstånd som fjädern sträcks eller komprimeras från sitt avslappnade läge.

Huvudfjäder

. En spiralbandformad fjäder som används som kraftlager för urverksmekanismer : klockor , klockor , speldosor , upprullningsleksaker och mekaniskt drivna ficklampor

Negatorfjäder

Ett tunt metallband som är något konkavt i tvärsnitt

När den är lindad antar den ett platt tvärsnitt men när den rullas ut återgår den till sin tidigare kurva, vilket producerar en konstant kraft genom hela förskjutningen och upphäver varje tendens att linda om. Den vanligaste applikationen är den indragande stålbandsregeln.

Progressive rate spiralfjädrar

En spiralfjäder med variabel hastighet, vanligtvis uppnås genom att ha ojämnt avstånd mellan varven så att när fjädern trycks ihop vilar en eller flera spiraler mot sin granne.

Gummiband

En dragfjäder där energi lagras genom att sträcka materialet.

Fjäderbricka Används för att applicera en .

konstant dragkraft längs axeln på ett fästelement

Torsionsfjäder

Vilken fjäder som helst utformad för att vridas snarare än att komprimeras eller förlängas. Används i fjädringssystem för fordon med torsionsstång .

Vågfjäder

Vilken som helst av många vågformade fjädrar, brickor och expanderare, inklusive linjära fjädrar, som alla vanligtvis är gjorda av platt tråd eller skivor som är marcelerade enligt industriella termer, vanligtvis genom formstansning, till ett vågigt regelbundet mönster, vilket resulterar i kurvlinjära lober. Vågfjädrar med rund tråd finns också. Typerna inkluderar vågbricka, enkelvarvsvågfjäder, flervarvsvågsfjäder, linjär vågfjäder, marcelexpander, sammanflätad vågfjäder och kapslad vågfjäder.

Fysik

Hookes lag

Huvudartikel: Hookes lag

Så länge de inte är sträckta eller hoptryckta utanför sin elastiska gräns , följer de flesta fjädrar Hookes lag, som säger att kraften med vilken fjädern trycker tillbaka är linjärt proportionell mot avståndet från dess jämviktslängd:

$F=-kx,\$

var

x är förskjutningsvektorn – avståndet och riktningen som fjädern deformeras från sin jämviktslängd.

F är den resulterande kraftvektorn – storleken och riktningen på den återställningskraft som fjädern utövar

k är fjäderns hastighet , fjäderkonstant eller kraftkonstant , en konstant som beror på fjäderns material och konstruktion. Det negativa tecknet indikerar att kraften som fjädern utövar är i motsatt riktning från dess förskjutning

Spiralfjädrar och andra vanliga fjädrar följer vanligtvis Hookes lag. Det finns användbara fjädrar som inte gör det: fjädrar baserade på balkböjning kan till exempel producera krafter som varierar olinjärt med förskjutningen.

Om de görs med konstant stigning (trådtjocklek), har koniska fjädrar en variabel hastighet. En konisk fjäder kan emellertid fås att ha en konstant hastighet genom att skapa fjädern med en variabel stigning. En större stigning i spolarna med större diameter och en mindre stigning i spolarna med mindre diameter tvingar fjädern att kollapsa eller förlänga alla spolarna i samma takt när de deformeras.

Enkel harmonisk rörelse

Huvudartikel: Harmonisk oscillator

Eftersom kraft är lika med massa, m , gånger acceleration, a , ser kraftekvationen för en fjäder som följer Hookes lag ut så här:

$F=ma\quad \Rightarrow \quad -kx=ma.\,$

Förskjutningen, x , som en funktion av tiden. Den tid som går mellan topparna kallas perioden .

Fjäderns massa är liten i jämförelse med massan på den fästa massan och ignoreras. Eftersom acceleration helt enkelt är andraderivatan av x med avseende på tid,

$-kx=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}.\,$

Detta är en andra ordningens linjär differentialekvation för förskjutningen $x$ som funktion av tiden. Ordna om:

${\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+{\frac {k}{m}}x=0,\ ,$

vars lösning är summan av en sinus och cosinus :

$x(t)=A\sin \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right)+B\cos \left(t{\sqrt {\frac {k}{ m}}}\höger).\,$

$A$ och $B$ är godtyckliga konstanter som kan hittas genom att beakta massans initiala förskjutning och hastighet. Grafen för denna funktion med $B=0$ (noll initial position med viss positiv initial hastighet) visas i bilden till höger.

Energidynamik

I enkel harmonisk rörelse av ett fjädermassasystem kommer energin att fluktuera mellan kinetisk energi och potentiell energi , men systemets totala energi förblir densamma. En fjäder som följer Hookes lag med fjäderkonstant k kommer att ha en total systemenergi E på:

$E=\left({\frac {1}{2}}\right)kA^{2}$

Här är A amplituden för den vågliknande rörelse som produceras av fjäderns oscillerande beteende.

Den potentiella energin U för ett sådant system kan bestämmas genom fjäderkonstanten k och dess förskjutning x :

$U=\left({\frac {1}{2}}\right)kx^{2}$

Den kinetiska energin K för ett föremål i enkel harmonisk rörelse kan hittas med hjälp av massan av det bifogade föremålet m och den hastighet med vilken föremålet svänger v :

$K=\left({\frac {1}{2}}\right)mv^{2}$

Eftersom det inte finns någon energiförlust i ett sådant system, är energi alltid bevarad och därmed:

$E=K+U$

Frekvens & period

Vinkelfrekvensen ω för ett föremål i enkel harmonisk rörelse, angiven i radianer per sekund , hittas med hjälp av fjäderkonstanten k och massan av det oscillerande föremålet m :

$\omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}$

Perioden T , den tid det tar för fjädermassasystemet att slutföra en hel cykel, för sådan harmonisk rörelse ges av:

$T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}$

Frekvensen f , antalet svängningar per tidsenhet, för något i enkel harmonisk rörelse hittas genom att ta inversen av perioden :

$f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {1} {2\pi }}{\sqrt {\frac {k}{m}}}$

Teori

I klassisk fysik kan en fjäder ses som en anordning som lagrar potentiell energi , specifikt elastisk potentiell energi , genom att spänna ut bindningarna mellan atomerna i ett elastiskt material.

Hookes lag av elasticitet säger att förlängningen av en elastisk stav (dess utvidgade längd minus dess avslappnade längd) är linjärt proportionell mot dess spänning , kraften som används för att sträcka den. På samma sätt är kontraktionen (negativ förlängning) proportionell mot kompressionen (negativ spänning).

Denna lag gäller faktiskt bara ungefär, och endast när deformationen (förlängning eller sammandragning) är liten jämfört med stavens totala längd. För deformationer bortom den elastiska gränsen bryts atombindningar eller omarrangeras, och en fjäder kan snäppa, spännas eller permanent deformeras. Många material har ingen tydligt definierad elastisk gräns, och Hookes lag kan inte tillämpas meningsfullt på dessa material. Dessutom, för de superelastiska materialen, är det linjära förhållandet mellan kraft och förskjutning endast lämpligt i området med låg töjning.

Hookes lag är en matematisk konsekvens av att spöets potentiella energi är ett minimum när det har sin avslappnade längd. Varje jämn funktion av en variabel approximerar en kvadratisk funktion när den undersöks tillräckligt nära sin minimipunkt, vilket kan ses genom att undersöka Taylor-serien . Därför närmar sig kraften – som är derivatan av energi med avseende på förskjutning – en linjär funktion .

Kraft av helt komprimerad fjäder

$F_{max}={\frac {Ed^{4}(L-nd)} {16(1+\nu )(Dd)^{3}n}}\$

var

E – Youngs modul

d – fjädertrådsdiameter

L – fjäderns fri längd

n – antal aktiva lindningar

$\nu$ – Poissonförhållande

D – fjäderns ytterdiameter

Noll-längd fjädrar

Förenklad LaCoste-upphängning med hjälp av en fjäder med noll längd

₀ Fjäderlängd L vs kraft F -graf för vanliga (+), nolllängd (0) och negativ längd (−) fjädrar med samma minimilängd L och fjäderkonstant

"Noll-längd fjäder" är en term för en specialdesignad spiralfjäder som skulle utöva noll kraft om den hade noll längd; om det inte fanns någon begränsning på grund av den ändliga tråddiametern hos en sådan spiralfjäder, skulle den ha noll längd i osträckt tillstånd. Det vill säga, i ett linjediagram av fjäderns kraft kontra dess längd, passerar linjen genom origo. Uppenbarligen kan en spiralfjäder inte dra ihop sig till noll längd, eftersom spiralerna vid något tillfälle nuddar varandra och fjädern kan inte korta längre.

Nolllängdsfjädrar tillverkas genom att man tillverkar en spiralfjäder med inbyggd spänning (en vridning införs i tråden när den lindas upp under tillverkningen; detta fungerar eftersom en spiralfjäder "lindas av" när den sträcker sig), så om den skulle kunna dra ihop sig ytterligare , jämviktspunkten för fjädern, punkten vid vilken dess återställande kraft är noll, inträffar vid en längd av noll. I praktiken tillverkas fjädrar med noll längd genom att kombinera en "negativ längd" fjäder, gjord med ännu mer spänning så att dess jämviktspunkt skulle ha en "negativ" längd, med en bit oelastiskt material av rätt längd så att nollkraftspunkten skulle ske vid noll längd.

En nolllängdsfjäder kan fästas på en massa på en gångjärnsförsedd bom på ett sådant sätt att kraften på massan nästan exakt balanseras av den vertikala komponenten av kraften från fjädern, oavsett bommens läge. Detta skapar en horisontell "pendel" med mycket lång oscillationsperiod . Långperiodiska pendlar gör det möjligt för seismometrar att känna av de långsammaste vågorna från jordbävningar. LaCoste - upphängningen med nolllängdsfjädrar används även i gravimetrar eftersom den är mycket känslig för förändringar i gravitationen. Fjädrar för att stänga dörrar är ofta gjorda för att ha ungefär noll längd, så att de utövar kraft även när dörren är nästan stängd, så att de kan hålla den stängd stadigt.

Används

• Airsoft pistol
• Flyg och rymd
• Spännande fjädertangentbord
• Pedagogisk
• Skjutvapen
• Framåt eller bakåt fjäder, en metod för att förtöja ett fartyg vid en landfixtur
• Industriell utrustning
• Smycken : Spännmekanismer.
• Låsmekanismer : Nyckeligenkänning och för att koordinera rörelserna för olika delar av låset.
• Resårmadrasser
• Medicinska apparater
• Mini borrmaskin
• Pennor
• Pogo Stick
• Pop-open-enheter: CD-spelare , bandspelare , brödrostar , etc.
• Efterklang i elektroniska organ
• Slinky
• Fjäderreverb
• Vårskor
• Switchblades : Fäll- eller glidknivar med fjäderbelastad öppningsmekanism.
• Leksak
• Trampolin
• Klädsel : Klädsel spiralfjädrar
• Fordon : Fordonsupphängning , Bladfjädrar
• Klockor : Balansfjädrar och i mekaniska klockor , huvudfjädrar för att linda mekaniska klockor och fjäderbelastade stänger för att fästa banden och spännena.

Se även

• Stötdämpare
• Slinky , spiralformad fjäderleksak
• Volute fjäder

Vidare läsning

•   Sclater, Neil. (2011). "Fjäder- och skruvanordningar och mekanismer." Mekanismer och mekaniska enheter Källbok. 5:e uppl. New York: McGraw Hill. s. 279–299. ISBN 9780071704427 . Ritningar och konstruktioner av olika fjäder- och skruvmekanismer.
•   Parmley, Robert. (2000). "Sektion 16: Fjädrar." Illustrerad källbok för mekaniska komponenter. New York: McGraw Hill. ISBN 0070486174 Ritningar, mönster och diskussion av olika fjädrar och fjädermekanismer.
• Vaktmästare, Tim. (2021). "Bundy 2 altsaxofon." Denna saxofon är känd för att ha de starkaste spända nålfjädrarna som finns.

externa länkar

• Paredes, Manuel (2013). "Hur man designar fjädrar" . insa de toulouse . Hämtad 13 november 2013 .
• Wright, Douglas. "Introduktion till fjädrar" . Anmärkningar om design och analys av maskinelement . Institutionen för maskin- och materialteknik, University of Western Australia . Hämtad 3 februari 2008 .
• Silberstein, Dave (2002). "Hur man gör fjädrar" . Bazillion. Arkiverad från originalet den 18 september 2013 . Hämtad 3 februari 2008 .
• Fjädrar med dynamiskt variabel styvhet (patent)
• Smarta fjädrar och deras kombinationer (patent)