Kompresijske opruge pohranjuju mehaničku energiju kada su komprimirane i oslobađaju mehaničku energiju kada se opterećenje ukloni. Iako su kompresijske opruge uglavnom napravljene od opružnog čelika, one također mogu sadržavati ugljik, magnezij, nikl, hrom, kalaj, bakar, volfram i aluminij.
Različiti materijali stvaraju različite stepene elastičnosti i kapaciteta skladištenja energije za kompresijske opruge.
Robert Hooke je predložio formulu još 1676. godine za izračunavanje sile opruge koja je proporcionalna njenom izduženju.
Kompresijske opruge su mehanički uređaji posebno dizajnirani da osjete aksijalna tlačna opterećenja. Obično se također mogu rastegnuti i rotirati do određene točke. Općenito govoreći, kompresijske opruge mogu skladištiti mehaničku energiju kada su podvrgnute kompresionim opterećenjima. Kada se opterećenje ukloni, vratit će se u svoj izvorni oblik i veličinu - podvrgnuti elastičnoj deformaciji.
Ova jedinstvena sposobnost skladištenja potencijalne energije, u kombinaciji sa relativnom jednostavnošću i pristupačnošću, čini kompresijske opruge vrijednim u širokom spektru primjena. Od mehaničkih dugmadi na tastaturi, madraca i hemijskih olovaka, do amortizera za vatreno oružje i ovjes za automobil. Od 15. stoljeća koristimo opruge na pritisak, a prva tlačna opruga je korištena u satnim uređajima.
Vrste kompresionih opruga
Kompresijske opruge mogu imati mnogo različitih geometrijskih oblika. Najčešći su zavojnice ili spiralne opruge. Ovaj oblik je popularniji od drugih oblika jer omogućava besprijekornu visoku kompresiju i širenje do točke. Također je lakši jer koristi manje materijala kako bi zadovoljio potrebu za apsorpcijom tlačnih opterećenja. Konačno, oblik spiralne opruge daje ovom tipu relativno veliku konstantu opruge (što će biti detaljno objašnjeno kasnije).
Ova kategorija je dalje podijeljena na potkategorije, uključujući:
Materijal tlačne opruge
Kompresijske opruge se obično izrađuju od opružnog čelika, koji je vrsta čelika sa visokom čvrstoćom tečenja. To im omogućava da zadrže svoj izvorni oblik, veličinu i oblik čak i kada su deformirani do ekstrema. Stoga ovi čelici imaju veliki prostor elastične deformacije pod naprezanjem. To se dešava na molekularnom nivou, tako da sastav ovih čelika ima značajan uticaj na njihovu elastičnost.
Općenito govoreći, opružni čelik sadrži ugljik i mangan, kao i nikl, hrom, molibden, kalaj, vanadijum, bakar, gvožđe, volfram i aluminijum. Opružni čelik je klasifikovan prema službenom ASTM-u na osnovu njegove granice popuštanja i tvrdoće, tako da različiti sastavi materijala mogu biti pogodni za različite primjene. Na primjer, ASTM A228 se koristi za klavirske žice, koje sadrže 0.7% -1% ugljika i 0.2% -0.6% mangana, sa maksimalnim prinosom čvrstoća od 530 megapaskala i vlačna čvrstoća od 400 megapaskala.
Karakteristike kompresionih opruga
U ovom odeljku, fokusiraću se na uvođenje nenamotanih zavojnih opruga, jer su ove opruge najčešće korišćene kompresijske opruge. Ove opruge imaju određene karakteristike koje imaju veliki značaj za njihov rad. Spoljni prečnik (D) se odnosi na prečnik cilindra formiranog od opruge kada se gleda odozgo. Prečnik namotaja se odnosi na debljinu (d) opružne žice, koja je takođe cilindrična. Slobodna dužina (L) se odnosi na ukupnu dužinu opruge bez ikakve kompresije, dok su efektivna spirala (na) i ukupna spirala (n) broj zavojnica koji pohranjuju i oslobađaju mehaničku energiju i broj zavojnica sabirnice ( najmanje dva su posvećena kraju/osnovi opruge). Drugi važan morfološki atribut je smjer rotacije, koji može biti lijevo ili desno.
Sila koju vrši opruga proporcionalna je njenom istezanju, zakonu koji je predložio Robert Hooke 1676. godine, u roku od nekoliko kratkih godina od primjene prve opruge. Hooke je predstavio ovu formulu svijetu. "F=- kx", gdje je F sila opruge, x je rastojanje istezanja, a k je konstanta opruge. Svaka opruga je drugačija i određena od strane proizvođača kroz eksperimente ili od strane korisnika kroz formule. K=Gd4/[83dna]. Kao što je ranije spomenuto, bačvasti i konusni namotaji su nelinearne opruge, tako da se Hookeov zakon ne primjenjuje na njih. Hookeov zakon se ne primjenjuje na opruge koje su se već deformisale ili premašile opću granicu elastičnosti.
Sila potpuno stisnute opruge
Za izračunavanje sile potpuno komprimirane opruge možemo koristiti ovu formulu. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E je Youngov modul, d je prečnik čelične žice, L je slobodna dužina, a n je broj efektivnih spirala/kalemova, ν To je Poissonov omjer, a D je vanjski prečnik. Očigledno je da su neke od njih određene čelikom po izboru projektanta, dok su druge određene oblikom, oblikom i veličinom opruge.
Razmatranje dizajna
Kada dizajnirate kompresijsku oprugu, prva stvar koju treba odlučiti je koji materijal želite koristiti. Zatim pronađite modul posmika (G) i vlačnu čvrstoću (TS) iz tablice podataka. Ova dva faktora su ključna za određivanje procenta naprezanja, na primjer, kada se izračunaju zahtjevi za opterećenje (100* σ/ Izračunajte stupanj do kojeg je opruga komprimirana kada je određeno opterećenje inducirano, na osnovu vlačne čvrstoće.
Još jedno važno razmatranje je prečnik opruge kada se komprimuje do svoje maksimalne tačke. Spiralne kompresijske opruge imaju tendenciju povećanja prečnika tokom kompresije. Zato je važno izračunati ovu ekspanziju koristeći formulu "ekspanzija={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Indeks opruge je važan i dizajneri pokušavaju da ga održe u rasponu od 4 do 10. Metoda njegovog proračuna je "C=(Dd/d)", što daje dobar koncept omjera žice debljina do prečnika opruge. Ovo će odrediti ukupnu snagu opruge (manja je jača, ali veća je lakše stisnuti).
