23 czerwca 2018


(artykuł reklamowy)

Projektowanie produktu czy złożenia wymaga od inżyniera podjęcia wielu decyzji. Niezależnie czy pracują Państwo nad elektrycznym przyłączem do samolotu, czy nad zaworem bezpieczeństwa do gazociągu, założenie jest to samo: potrzeba znalezienia równowagi pomiędzy kosztami, masą, wymiarami, osiągami i możliwościami produkcyjnymi. To dotyczy nawet najprostszych elementów, na przykład sprężyn.

r1


Generalnie wszystkie sprężyny naciskowe funkcjonują na tej samej zasadzie, jednakże istnieją różnice w działaniu tradycyjnych sprężyn śrubowych i sprężyn falistych (sprężyn naciskowych z płaskiego drutu). Sprężyny faliste firmy Smalley, użyte na etapie koncepcyjnym zamiast zwykłych – śrubowych, oferują unikalne korzyści związane z oszczędnością miejsca. Poprzez redukcję wysokości roboczej sprężyny, przyczyniają się one do zmniejszenia zagłębienia, w którym mają być zamocowane. Dodatkowo, mniejsze rozmiary złożenia i mniejsza ilość materiału zastosowanego w procesie produkcyjnym przekładają się na redukcję kosztów.


Typy sprężyn

r2

Na górze od lewej: jednozwojowa sprężyna falista,  sprężyna falista o wielu zwojach (Crest-to-Crest), sprężyna Wavo; Na dole od lewej: sprężyna falista o równolegle przylegających do siebie zwojach (Nested wave spring), sprężyna liniowa, spleciona wielozwojowa sprężyna falista.

Oferta sprężyn falistych Smalley obejmuje wiele różnych opcji. Ustalenie, która sprężyna falista jest odpowiednia dla Państwa, zależy od konkretnego zastosowania. Każdy typ sprężyn falistych ma właściwe dla siebie zalety.

Jednozwojowe sprężyny faliste (Single Turn Wave Springs) mogą w wielu przypadkach zastąpić tradycyjne, wytłaczane faliste podkładki sprężyste, co – w zależności od rozmiaru – może nieść za sobą oszczędność kosztów. Co więcej, jednozwojowe sprężyny faliste mogą funkcjonować w ciaśniejszych zagłębieniach niż podkładki faliste, gdyż  przerwa między końcami zwoju, czy też ich nałożenie się na siebie, pozwala na kontakt ugiętej sprężyny z obudową, bez ryzyka zakleszczenia. Wytwarzane poprzez gięcie, a nie wytłaczanie, sprężyny faliste wykonują dokładniejsze i bardziej powtarzalne ugięcie, niż faliste podkładki sprężyste.

Sprężyny faliste o wielu zwojach, nazywane też sprężynami falistymi Crest-to-Crest (o przylegających grzbietach zwojów) zapewniają większe ugięcie niż sprężyny o jednym zwoju i mogą służyć jako zamiennik dla sprężyn śrubowych, zajmując przy tym o połowę mniej miejsca. Mogą być tak zaprojektowane, by funkcjonować z tym samym obciążeniem i ugięciem co sprężyny śrubowe. Sprężyna o niskim profilu pozwala także na redukcję masy złożenia, dzięki zmniejszeniu zagłębienia na śrubę.

Sprężyny Wavo, inaczej niż inne sprężyny faliste, są wytwarzane z drutu o okrągłym przekroju, dzięki czemu przyjmują większe obciążenia, jednocześnie zajmując znacznie mniej przestrzeni promieniowej niż sprężyny talerzowe.

Sprężyny liniowe (Linear wave spring) mają podobne charakterystyki i ugięcie do jednozwojowych sprężyn falistych. Mają różnorodne zastosowania, m.in. obciążają wstępnie i promieniowo łopatki w pompach łopatkowych.

Sprężyny faliste o ściśle przylegających do siebie, równoległych zwojach (Nested wave springs) zapewniają większy udźwig niż jednozwojowe sprężyny faliste. Powstają z jednego ciągłego kawałka płaskiego drutu giętego na równoległe zwoje. Eliminują potrzebę układania kilku sprężyn jedna na drugiej by umożliwić przyjęcie większego obciążenia. Są szczególnie użyteczne do statycznych zastosowań, wymagających dużej i dokładnej siły, i krótkich ugięć.

Splecione wielozwojowe sprężyny faliste (Interlaced Wave Springs) składają się z dwóch lub trzech sprężyn tego samego typu, zwiniętych i zagnieżdżonych razem tak, że tworzą jedną sprężynę. Splatanie efektywnie zwiększa grubość sprężyny, pozwalając na przyjęcie większych obciążeń, których nie mogłaby wytrzymać np. sprężyna Crest-to-Crest. To czyni splecione sprężyny odpowiednimi do zastosowań wymagających dużej siły i większego ugięcia.

Sprężyny faliste: zmęczenie, udźwig i ugięcie
Jest wiele czynników, które trzeba brać pod uwagę projektując elementy  wykorzystujące sprężyny faliste, takich jak: średnica obudowy i/lub wału, obciążenie na wysokości roboczej, ugięcie i okres użytkowania. Obciążenie powinno być zdefiniowane dla wysokości roboczej, w odniesieniu do ugięcia od wysokości swobodnej.

Obliczenia zmęczeniowe sprężyn falistych wiążą się z rozpatrywaniem punktów minimalnego i maksymalnego ugięcia, jak też naprężeń na tych wysokościach roboczych. Konkretnie, wzór na współczynnik naprężenia zmęczeniowego wygląda tak:

wzor

gdzie:
σ = wytrzymałość materiału na rozciąganie,
S1 = wartość naprężeń na dolnej wysokości roboczej,
S2 = wartość naprężeń na górnej wysokości roboczej.

Poniższa tabela przedstawia szacunkowy okres użytkowania dla odpowiednich wartości współczynnika naprężeń zmęczeniowych.

tab

W większości sprężyn używanych do zastosowań inżynierskich liniowy zakres obciążenia występuje od ok. 20% poniżej wysokości swobodnej do dwukrotności wysokości zblokowanej lub 80% ugięcia, w zależności od tego, co nastąpi jako pierwsze. Jakkolwiek sprężyny mogą być eksploatowane poza liniową „strefą komfortu”, to jednak obciążenia będą większe niż obliczono, w miarę zbliżania się do wysokości zblokowanej, co ilustruje poniższy wykres:

r3 v1

Sprężyny faliste wykazują większą siłę podczas obciążania i mniejszą podczas odciążania. Ten efekt jest znany jako histereza. Na poniższym wykresie zacieniowany obszar pokazuje graficzne odwzorowanie różnicy między zwiększaniem a zmniejszaniem obciążenia.

hysteresis

Sprężyny faliste to oszczędność miejsca i kosztów
Umiejętna inżynieria to zagadnienie równowagi, niezależne od tego czy kalkulujemy cenę i możliwości produkcyjne w przypadku pompy, czy siłę i wysokość roboczą w przypadku sprężyny falistej. Kiedy mamy do czynienia z nietypowym złożeniem, albo jednostkową produkcją, decyzje dodatkowo się komplikują. Właśnie z tego powodu Smalley produkuje zarówno standardowe, jak i niestandardowe sprężyny faliste. Specjaliści firmy Smalley chętnie pomogą w projektowaniu sprężyn dla Państwa zastosowań.

Więcej informacji na: www.smalley.com