Lò xo nén dự trữ cơ năng khi bị nén và giải phóng cơ năng khi bỏ tải. Mặc dù lò xo nén thường được làm bằng thép lò xo, nhưng chúng cũng có thể chứa cacbon, magie, niken, crom, thiếc, đồng, vonfram và nhôm.
Các vật liệu khác nhau tạo ra mức độ đàn hồi và khả năng tích trữ năng lượng khác nhau cho lò xo nén.
Robert Hooke đã đề xuất một công thức ngay từ năm 1676 để tính lực do một lò xo tác dụng, lực này tỷ lệ thuận với độ giãn dài của nó.
Lò xo nén là thiết bị cơ khí được thiết kế đặc biệt để cảm nhận tải trọng nén dọc trục. Chúng thường có thể kéo dài và xoay đến một điểm. Nói chung, lò xo nén có thể tích trữ năng lượng cơ học khi chịu tải trọng nén. Sau khi loại bỏ tải trọng, chúng sẽ trở lại hình dạng và kích thước ban đầu - trải qua biến dạng đàn hồi.
Khả năng lưu trữ thế năng độc đáo này, kết hợp với tính đơn giản tương đối và giá cả phải chăng của nó, làm cho lò xo nén có giá trị trong nhiều ứng dụng. Từ các nút bàn phím cơ, nệm và bút bi, cho đến súng cầm tay và bộ giảm xóc treo ô tô. Từ thế kỷ 15, chúng ta đã sử dụng lò xo nén và lò xo nén đầu tiên được sử dụng trong các thiết bị đồng hồ.
Các loại lò xo nén
Lò xo nén có thể có nhiều hình dạng hình học khác nhau. Những cái phổ biến nhất là cuộn dây hoặc lò xo xoắn ốc. Hình dạng này phổ biến hơn các hình dạng khác vì nó cho phép nén và mở rộng liền mạch đến một điểm. Nó cũng nhẹ hơn vì sử dụng ít vật liệu hơn để đáp ứng nhu cầu hấp thụ tải trọng nén. Cuối cùng, hình dạng của lò xo cuộn mang lại cho loại này một hằng số lò xo tương đối lớn (sẽ được giải thích chi tiết sau).
Loại này còn được chia thành các loại nhỏ hơn, bao gồm:
Chất liệu của lò xo nén
Lò xo nén thường được làm bằng thép lò xo, là loại thép có độ bền chảy cao. Điều này cho phép chúng duy trì hình dạng, kích thước và hình dạng ban đầu ngay cả khi bị biến dạng đến mức cực độ. Do đó, các loại thép này có không gian biến dạng đàn hồi lớn dưới ứng suất. Điều này xảy ra ở cấp độ phân tử nên thành phần của các loại thép này có tác động đáng kể đến độ đàn hồi của chúng.
Nói chung, thép lò xo chứa carbon và mangan, cũng như niken, crom, molypden, thiếc, vanadi, đồng, sắt, vonfram và nhôm. Thép lò xo được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM chính thức dựa trên cường độ chảy và độ cứng, do đó các thành phần vật liệu khác nhau có thể phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ: ASTM A228 được sử dụng cho dây đàn piano, chứa 0,7% -1% carbon và 0,2% -0,6% mangan, với hiệu suất tối đa cường độ 530 megapascal và độ bền kéo 400 megapascal.
Đặc điểm của lò xo nén
Trong phần này tôi sẽ tập trung giới thiệu về lò xo cuộn không cuộn, vì loại lò xo này là loại lò xo nén được sử dụng rộng rãi nhất. Những lò xo này có những đặc điểm nhất định có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất của chúng. Đường kính ngoài (D) là đường kính của hình trụ được tạo bởi lò xo khi nhìn từ trên xuống. Đường kính cuộn dây đề cập đến độ dày (d) của dây lò xo, cũng có dạng hình trụ. Chiều dài tự do (L) đề cập đến tổng chiều dài của lò xo mà không bị nén, trong khi đường xoắn ốc hiệu dụng (na) và đường xoắn ốc tổng thể (n) là số cuộn dây lưu trữ và giải phóng năng lượng cơ học, và số lượng cuộn dây bus ( ít nhất hai cái được dành riêng cho phần cuối/đế của lò xo). Một thuộc tính hình thái quan trọng khác là hướng quay, có thể sang trái hoặc sang phải.
Lực do lò xo tác dụng tỷ lệ thuận với độ giãn dài của nó, một định luật do Robert Hooke đề xuất năm 1676, trong vòng vài năm ngắn ngủi kể từ khi lò xo đầu tiên được áp dụng. Hooke đã giới thiệu công thức này với thế giới. "F=- kx", trong đó F là lực lò xo, x là khoảng cách kéo dài và k là hằng số lò xo. Mỗi lò xo đều khác nhau và được xác định bởi nhà sản xuất thông qua thí nghiệm hoặc do người dùng thông qua công thức. K=Gd4/[83dna]. Như đã đề cập trước đó, cuộn dây hình trụ và hình nón là những lò xo phi tuyến nên định luật Hooke không áp dụng cho chúng. Định luật Hooke không áp dụng cho những lò xo đã bị biến dạng hoặc vượt quá giới hạn đàn hồi tổng quát.
Lực của lò xo bị nén hoàn toàn
Để tính lực của lò xo bị nén hoàn toàn, chúng ta có thể sử dụng công thức này. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E là mô đun Young, d là đường kính của dây thép, L là chiều dài tự do và n là số vòng xoắn/cuộn dây hiệu quả, ν là tỷ lệ Poisson và D là đường kính ngoài. Rõ ràng là một số trong số chúng được xác định bởi loại thép do người thiết kế lựa chọn, trong khi một số khác được xác định bởi hình dạng, hình dạng và kích thước của lò xo.
Cân nhắc thiết kế
Khi thiết kế lò xo nén, điều đầu tiên cần quyết định là bạn muốn sử dụng vật liệu gì. Sau đó tìm mô đun cắt (G) và độ bền kéo (TS) từ bảng dữ liệu. Hai hệ số này rất quan trọng để xác định tỷ lệ phần trăm ứng suất, ví dụ, khi tính toán yêu cầu về tải trọng (100* σ/ Tính mức độ mà lò xo bị nén khi gây ra một tải trọng nhất định, dựa trên độ bền kéo.
Một yếu tố quan trọng cần cân nhắc nữa là đường kính của lò xo khi bị nén đến điểm cực đại. Lò xo nén xoắn ốc có xu hướng tăng đường kính trong quá trình nén. Vì vậy, điều quan trọng là phải tính toán khai triển này bằng công thức "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Chỉ số của lò xo rất quan trọng và các nhà thiết kế cố gắng duy trì nó trong phạm vi từ 4 đến 10. Phương pháp tính toán của nó là "C=(Dd/d)", cung cấp một khái niệm hay về tỷ lệ của dây độ dày đến đường kính lò xo. Điều này sẽ quyết định độ bền tổng thể của lò xo (nhỏ hơn thì mạnh hơn, nhưng lớn hơn thì dễ nén hơn).
