Vår

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 maj 2016; kontroller kräver 27 redigeringar .

Fjäder - ett elastiskt element av maskiner och olika mekanismer, ackumulerar och ger eller absorberar mekanisk energi .

Historik

Historiskt sett anses olika hushållspincetter och klädnypor , klämmor, pilbågar och fiskespön vara de första elastiska elementen som används av människor .

Teori

Allmän funktionsprincip

Ur klassisk fysiks synvinkel kan en fjäder betraktas som en anordning som ackumulerar potentiell energi genom att ändra avståndet mellan atomerna i ett elastiskt material.

Vridna metallfjädrar omvandlar fjäderns kompressions-/förlängningsdeformation till torsionsdeformationen av materialet som den är gjord av, och vice versa, fjäderns torsionsdeformation till metallens drag- och böjningsdeformation, vilket multiplicerar elasticitetskoefficienten med öka längden på tråden som motstår yttre påverkan. Kompressionsvågsfjädrar är som flera serier/parallella böjfjädrar.

Fjädrar och definitionen av kraft

Det finns ingen konsensusdefinition av " kraft " i fysiken. En av de metodologiskt korrekta (i den meningen att det inte förvränger situationen och inte skapar en ond cirkel av definitioner ) är att ge en definition ersätts med en presentation som inte förlitar sig på några lagar (till exempel Newtons andra lag) metod för att mäta krafter [1 ] . Om en viss fjäder, gjord på ett specificerat sätt, med dess specifika förlängning, förklaras som en källa till enhetskraft , kommer superpositionsprincipen att tillåta dig att ställa in kraftvärden från 0 till i närvaro av två "fjädrar " placerade i en vinkel , och vilken kraft som helst som studeras kan mätas genom att balansera dess val genom variation (om det finns fler fjädrar, utökas det tillgängliga området). Det visar sig att fjädrar spelar rollen som ett verktyg i grundläggande kraftmätningar. ${\displaystyle \Delta l_{0))$ $F_{0}$ $F_{c}=2F_{0}\cos(\alpha /2)$ ${\displaystyle 2F_{0))$ $F_{0}$ $\alfa$ $F_{c}$ $\alfa$

Töjnings-kraft relation

I teorin om elasticitet fastställer Hookes lag att sträckningen av en elastisk stav är proportionell mot kraften som appliceras på den, riktad längs dess axel. Detsamma gäller som regel för fjädrar:

F=k\,\Delta l

var är spänningen/kompressionen, och är styvheten. I verkligheten är denna lag inte uppfylld exakt, utan endast för små spänningar och kompressioner. Om spänningen överstiger en viss gräns ( sträckgräns ), uppstår irreversibla kränkningar av dess struktur i materialet, och delen förstörs eller får en irreversibel deformation. Många riktiga material har inte en tydligt definierad sträckgräns, och Hookes lag gäller inte för dem. I detta fall sätts en villkorad sträckgräns för materialet. $\Delta l$ $k$

För de mätningar som beskrivs i föregående underavsnitt är uppfyllandet eller icke-uppfyllelsen av Hookes lag inte grundläggande, endast elasticitetsegenskapen är tillräcklig , det vill säga återgången av fjädern till sitt ursprungliga tillstånd efter att den deformerande belastningen tagits bort.

Uppskattning av styvhetskoefficienten

En vriden cylindrisk tryck- eller förlängningsfjäder, lindad från en cylindrisk tråd och elastiskt deformerad längs axeln, har en styvhetskoefficient

k={\frac {G\cdot d_{{\mathrm {D}}}^{4}}{8\cdot d_{{\mathrm {F}}}^{3}\cdot n}},

där: d D är tråddiametern; d F är lindningsdiametern (mätt från trådaxeln); n är antalet varv; : G - skjuvmodul (för vanligt stål G ≈ 80 GPa , för koppar ~ 45 GPa ).

Typer av fjädrar

Beroende på typen av upplevd belastning :

tryckfjädrar;
förlängningsfjädrar;
torsionsfjädrar;
böjande fjädrar.

Spännfjädrar - utformade för att öka i längd under belastning. I olastat tillstånd har de oftast stängda svängar. Det finns krokar eller ringar i ändarna för att fästa fjädern till strukturen.

Kompressionsfjädrar - utformade för att minska i längd under belastning. Spolarna i sådana fjädrar berör inte varandra utan belastning. Ändvarven pressas mot de intilliggande och fjäderns ändar slipas. Långa tryckfjädrar, för att undvika förlust av stabilitet, placeras på dorn eller glas, eller så används mindre vågfjädrar .

I drag-kompressionsfjädrar, under inverkan av en konstant kraft, upplever spolarna två typer av spänningar: böjning och vridning .

Böjfjäder - används för att överföra elastiska deformationer med mindre förändringar i de geometriska dimensionerna hos fjäder- eller fjäderpaketet (fjädrar, belleville-fjädrar). De har en mängd enkla former (torsionsstänger, låsringar och brickor, elastiska klämmor, reläelement, etc.)

Torsionsfjädrar - kan vara av två typer:

torsion - en torsionsstång (har en längre längd än en vriden fjäder)
vridna fjädrar som arbetar i vridning (som i klädnypor , i musfällor och i hålslagningar för pappersvaror ).

Inom instrumentering är Bourdon-fjädern känd - en rörfjäder i tryckmätare för att mäta tryck, som spelar rollen som ett känsligt element.

Genom design :

vriden cylindrisk ( skruv );
vridna koniska ( stötdämpare );
spiral (i balansen av timmar);
platt;
lamellär (till exempel fjädrar );
skålformad;
Vinka
vridning ;
vätska ;
gas .

Huvudparametrar för fjädrar

För vridna cylindriska och koniska:

antal svängar
spolstigning
Diametern på tråden
maximal lastkapacitet
linjärt förhållande mellan deformationen (sättningen) hos en fjäder och den belastning som appliceras på den

För vågor:

bandsektion
antal svängar
antal vågor per varv
hårdhetsfaktor
ultimat belastning

såväl som materialens utmattningsegenskaper .

Material och tillverkningsteknik

Fjädern kan göras av vilket material som helst som har tillräckligt hög hållfasthet och elastiska egenskaper ( stål , plast , trä , plywood , till och med kartong ).

Materialet i olika gummin har elastiska egenskaper som inte kräver att det ges en speciell form och används ofta i en direkt form, men på grund av mindre definierade egenskaper i precisionsmaskiner används det mindre ofta.

Stålfjädrar för allmänna ändamål är tillverkade av högkolhaltiga stål (U9A-U12A, 65, 70) legerade med mangan, kisel, vanadin (65G, 60S2A, 65S2VA) . För fjädrar som arbetar i aggressiva miljöer, rostfritt stål (12X18H10T), berylliumbrons (BrB-2), kisel-manganbrons (BrKMts3-1), tenn-zinkbrons (BrOTs-4-3), titan och nickellegeringar, gjutjärn används.

Mindre fjädrar kan lindas av färdig tråd, medan större är gjorda av glödgat stål och härdas efter formning.

Tillämpning av fjädrar

En fjäder är en av de mest använda delarna av mekanismer, strukturer och enheter. Används för att kompensera för dimensionella felaktigheter, slitage, borttagning av vibrationer, som en energilagringsenhet, för enkel mätning av tryck, vikt, krafter och accelerationer; stöt- och överbelastningsskydd.

I stoppade möbler och möbelgångjärn och hissar , i fästelement , i karbinhakar , fjäderstift , fjädervågar , jackhammare , i moderna rälsfästen , i kopplingar , i klockmekanismer, enkla mekaniska automater . Hydraulisk utrustning är otänkbar utan fjädrar, elasticitet är nödvändig för manövrering av knappar och nycklar på kontrollenheter, utlösare och säkringar .

I brevpapper

Under konstruktion

De enklaste stängarna utan spjäll för grindar och dörrar för intensiv användning, i kallt klimat för vestibuler .
I returmekanismerna för manuella persienner , jalusier och tunga takskjutportar .
I riktningsventiler på offentliga platser.
I hissbuffertar .
I byggnader och strukturer på instabil mark, i geologiskt aktiva områden, som en seismisk vågdämpare.

I formar och matriser

I formar och formar används tryckfjädrar med rektangulär trådsektion, de kallas verktygsfjädrar. På grund av trådens rektangulära tvärsnitt har fjädern styvare fjäderegenskaper med relativt små dimensioner, vilket är mycket bekvämt för att placera dem i formar och formar.

I skjutvapen

huvudfjäder, returfjäder, magasinfjäder
Vid vapensimulering är airsoftvapen fjäderbelastad som vanligtvis används för att driva fram projektilen i fjäderkolvgevär.

I konstant kraftmekanismer

Utformningen av mekanismen eller själva fjädern ger en konstant kraft på det lastbärande elementet i ett visst rörelseområde.

Stöd för konstant kraft för rörledningar
Rullfjädrar med konstant kraft eller moment
Rörkopplingstätningar
Specificerad belastning för flytande lager

Se även

Anteckningar

↑ I. Butikov, A. S. Kondratiev. § 16. Kraft är ett mått på interaktion // Fysik för fördjupning 1. Mekanik. - S. 88-90.

Litteratur

Referenstabeller för maskindelar. - M . : Mashinostroenie , 1956.
Teknisk uppslagsverk / L. K. Martens. - M . : Soviet Encyclopedia, 1932. - T. 18. - S. 424-464. — 898 sid.
L. E. Andreeva. Elastiska element av enheter / V. I. Feodosiev. - M . : Mashinostroenie , 1962. - 456 sid.