สปริงแรงบิดออกแบบการใช้งานและพารามิเตอร์หลัก

สปริงแรงบิดเป็นสปริงเชิงกลที่ทํางานโดยใช้แรงบิดหรือแรงบิดเมื่อบิดตามแกน สปริงทําจากลวดโลหะพันเป็นเกลียวโดยปลายด้านหนึ่งของลวดเชื่อมต่อกับจุดคงที่และปลายอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับจุดหมุน เมื่อจุดหมุนหมุนสปริงจะเก็บพลังงานโดยการบิดและเมื่อปล่อยแรงหมุนสปริงจะปล่อยและปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ แม้ว่าชื่อจะหมายถึงความหมายอื่น ๆ แต่สปริงแรงบิดมีแรงเค้นดัดมากกว่าความเค้นแรงบิด พวกเขาสามารถเก็บและปล่อยพลังงานเชิงมุม หรือยึดกลไกให้เข้าที่แบบคงที่โดยทําให้ขาเบี่ยงเบนไปรอบแกนกลางของร่างกาย
สปริงแรงบิดมักจะพันแน่น แต่สามารถมีระยะพิทช์เพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างขดลวด สปริงแรงบิดสามารถต้านทานแรงที่เกิดจากแรงบิดหรือการหมุนได้ สปริงแรงบิดสามารถออกแบบให้หมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งจะกําหนดทิศทางลม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

โครงสร้างสปริงแรงบิดได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานเชิงมุม หรือเพื่อแก้ไขกลไกแบบคงที่โดยทําให้ขาเบี่ยงเบนรอบแกนกลางของร่างกาย เมื่อสปริงประเภทนี้เบี่ยงเบนไปในทิศทางที่ต้องการของลมการผลิตเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวเครื่องหลักจะลดลงและความยาวของตัวเครื่องจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

สปริงแรงบิดมีการใช้งานที่หลากหลายและจําเป็นในอุตสาหกรรมต่างๆ ตัวอย่างการใช้งานทั่วไปของสปริงแรงบิด ได้แก่:
อุตสาหกรรมยานยนต์: สปริงแรงบิดใช้สําหรับบานพับประตูและระบบกันสะเทือนของรถยนต์ ซึ่งช่วยให้ส่วนประกอบเหล่านี้ทํางานได้อย่างราบรื่น
บ้าน: สปริงเหล่านี้เหมาะสําหรับประตูโรงรถ ที่หนีบผ้า และคลิปบอร์ด ช่วยให้ทํางานได้อย่างราบรื่น
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์: สปริงแรงบิดมีบทบาทสําคัญในการทํางานของสวิตช์และกล้อง ทําให้เป็นส่วนประกอบสําคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ของเล่นและสินค้าอุปโภคบริโภค: ใช้สําหรับของเล่น นาฬิกา และสินค้าอุปโภคบริโภคอื่นๆ ที่ต้องการแรงหมุน
เครื่องกล: สปริงแรงบิดมักใช้ในเครื่องจักรประเภทต่างๆ เพื่ออํานวยความสะดวกในการทํางานที่ราบรื่นของคันโยกและส่วนประกอบอื่นๆ
อุตสาหกรรมเรือและกีฬากลางแจ้ง: สปริงบิดใช้ในอุปกรณ์ช่วยชีวิต เช่น ขั้นบันไดขึ้นเรือส่วนบุคคล และความทนทานและความต้านทานการกัดกร่อนเป็นสิ่งสําคัญ

เมื่อออกแบบสปริงแรงบิด สิ่งสําคัญคือต้องพิจารณาการใช้งานของคุณและว่าคุณต้องการลวดวงกลม สี่เหลี่ยม หรือลวดไม่สม่ําเสมอ (เช่น สายสี่เหลี่ยม) การออกแบบสปริงแรงบิดที่ง่ายและพบบ่อยที่สุดคือสปริงแรงบิดเสาหินที่ทําจากลวดสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยมีปลายตรงที่ปลายทั้งสองข้าง แต่รูปแบบการออกแบบนี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ผ่านการดัดและการขึ้นรูป
เนื่องจากตําแหน่งของตลับลูกปืนขา / ขั้วต่อต้องอยู่ทางด้านซ้ายหรือด้านขวาระหว่างการประกอบทิศทางของลมในการผลิตจึงมีความสําคัญสําหรับการใช้งานสปริงแรงบิด สปริงแรงบิดมักจะรองรับด้วยแท่ง (แมนเดรล) ที่อยู่ในแนวเดียวกับแนวบานพับตามทฤษฎีของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การออกแบบสปริงแรงบิดคู่มีความซับซ้อนมากขึ้นและต้องพิจารณาวิธีการผลิต สปริงแรงบิดคู่พันจากตรงกลางในขณะที่สปริงแรงบิดเดี่ยวพันจากปลายทั้งสองข้าง

โครงสร้างสปริงแรงบิดมีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานหรือยึดกลไกให้เข้าที่โดยการเบี่ยงเบนแกนรอบเส้นกึ่งกลางของตัวเครื่อง เมื่อเบี่ยงเบนไปในทิศทางที่ถูกต้องจะลดเส้นผ่านศูนย์กลางของร่างกายและเพิ่มความยาว
ทิศทางการคดเคี้ยวของสปริงแรงบิดต้องเป็นไปตามข้อกําหนดเฉพาะของการใช้งาน เมื่อประกอบ ขารับน้ําหนักควรอยู่ด้านที่ถูกต้อง (ซ้ายหรือขวา) เพื่อให้แน่ใจว่าอยู่ในแนวที่เหมาะสม สปริงแรงบิดได้รับการสนับสนุนโดยแกนหมุนที่สอดคล้องกับเส้นบานพับของการใช้งาน
เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน
เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของสปริงแรงบิดคือความกว้างภายในเกลียวขดลวด ซึ่งวัดในแนวตั้งฉากกับแกนกลาง ขนาดนี้กําหนดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเพลาหรือแมนเดรลที่สามารถโหลดลงในสปริงได้อย่างราบรื่น ขอแนะนําให้มีช่องว่าง 10% ในเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเพื่อให้ส่วนประกอบที่แทรกเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก
เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสปริงแรงบิดคือความกว้างนอกเกลียวขดลวด ซึ่งวัดในแนวตั้งฉากกับเส้นกึ่งกลาง ขนาดนี้กําหนดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูสอดสปริงโดยคํานึงถึงระยะห่างที่จําเป็นทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าสปริงทํางานได้อย่างอิสระ
เส้นผ่านศูนย์กลางลวด
เส้นผ่านศูนย์กลางลวดหมายถึงความหนาของลวดที่ใช้สําหรับม้วนและขึ้นรูปสปริงแรงบิด
เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยคํานวณโดยการลบเส้นผ่านศูนย์กลางลวดออกจากเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและใช้สําหรับการคํานวณความเค้นและอัตราสปริง
ความยาวลําตัว
ความยาวหลักของสปริงแรงบิดจะวัดเมื่อสปริงอยู่ในสถานะไม่โหลดและกําหนดโดยการวัดพื้นผิวด้านนอกของขดลวดปลาย เมื่อใช้แรงบิดความยาวของตัวเครื่องจะเพิ่มขึ้นในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของสปริงลดลง
ความยาวขา
ความยาวขาของสปริงแรงบิดหมายถึงระยะห่างจากปลายขาสปริงถึงแกนกลางของขดลวด มันจะส่งผลต่อภาระหรือแรงบิดที่จําเป็นในการเก็บพลังงานในฤดูใบไม้ผลิ ยิ่งขาสั้นเท่าใดแรงบิดที่ต้องใช้ในการดัดขอยล์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ขาของสปริงแรงบิดอาจมีความยาวต่างกัน
รถบัสเซอร์เคิล
จํานวนขดลวดทั้งหมดในสปริงแรงบิดหมายถึงจํานวนขดลวดที่มีประสิทธิภาพในขดลวด ขดลวดที่มีประสิทธิภาพคือขดลวดที่บิดหรือเบี่ยงเบนภายใต้ภาระและปล่อยพลังงานเมื่อปล่อยสปริง เนื่องจากขดลวดที่ไม่ใช้งานถูกครอบครองโดยขาจํานวนขดลวดทั้งหมดบนบัสจึงน้อยกว่าจํานวนขดลวดทั้งหมดเล็กน้อย สําหรับสปริงแรงบิดที่มีมุมขา 0 °ในตําแหน่งอิสระค่าขดลวดทั้งหมดจะเป็นจํานวนเต็ม
ขนาดของสปริงแรงบิด
น้ํามันดิน
ระยะพิทช์ของสปริงแรงบิดคือระยะห่างของเส้นกึ่งกลางระหว่างขดลวดที่มีประสิทธิภาพสองอันที่อยู่ติดกัน ในสปริงที่พันแน่นระยะพิทช์จะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางลวดโดยประมาณ อย่างไรก็ตาม สปริงแผลหนาแน่นจะสร้างแรงเสียดทานอย่างมีนัยสําคัญในระหว่างกระบวนการโก่งตัว โดยปกติจะแนะนําให้ระบุจํานวนรอบทั้งหมดและความยาวของตัวถังของสปริงแรงบิดแทนที่จะเป็นระยะพิทช์
ทิศทางที่คดเคี้ยว
ทิศทางการคดเคี้ยวของสปริงแรงบิดมีความเฉพาะเจาะจง อาจเป็นมือขวาหรือถนัดซ้ายก็ได้ เมื่อพันไปทางขวาขดลวดจะหมุนตามเข็มนาฬิกาและเมื่อพันไปทางซ้ายขดลวดจะหมุนทวนเข็มนาฬิกา เมื่อสังเกตด้านบนของสปริงแรงบิดสามารถระบุทิศทางการคดเคี้ยวได้อย่างง่ายดาย
การออกแบบสปริงแรงบิดควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าการรับน้ําหนักและทิศทางที่คดเคี้ยวสอดคล้องกัน หากโหลดและทิศทางที่คดเคี้ยวต้องตรงกันข้ามจะต้องลดภาระและการโก่งตัวเชิงมุม
การทําความเข้าใจทิศทางการคดเคี้ยวเป็นสิ่งสําคัญสําหรับการทํางานปกติของสปริงแรงบิด เนื่องจากเป็นตัวกําหนดทิศทางของการโก่งตัว ตําแหน่งของสปริงแรงบิดในการใช้งานขึ้นอยู่กับทิศทางการคดเคี้ยว ซึ่งอาจส่งผลต่อตําแหน่งและการเคลื่อนที่ของขาหน้าและขาหลัง
สําหรับสปริงแรงบิดมือขวาขาหลังจะบิดตามเข็มนาฬิกาในขณะที่ขาหน้าจะบิดทวนเข็มนาฬิกา สําหรับสปริงแรงบิดด้านซ้ายสถานการณ์จะตรงกันข้ามทุกประการ: ขาหลังจะเคลื่อนที่ทวนเข็มนาฬิกาในขณะที่ขาหน้าจะเคลื่อนที่ตามเข็มนาฬิกา
ทิศทางการคดเคี้ยวของสปริงแรงบิด
มุมขา
มุมขาของสปริงแรงบิดคือมุมระหว่างขาเมื่อไม่ได้โหลดสปริง ตั้งแต่ 0 °ถึง 360 ° มุมขาสปริงแรงบิดมาตรฐานทั่วไปในร้านค้าคือ 90 °, 180 °, 270 ° และ 360 ° นอกจากนี้ ผู้ผลิตยังสามารถปรับแต่งมุมขาเพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าเฉพาะได้
มุมขา
มุมขาจะส่งผลต่อจํานวนรอบทั้งหมดของสปริงแรงบิด ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้จํานวนคอยล์บัสจะน้อยกว่าจํานวนขดลวดทั้งหมดในขดลวดเล็กน้อย สูตรต่อไปนี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างมุมขาและจํานวนรอบรถเมล์
มุมขาในตําแหน่งว่าง = จํานวนขดลวดที่ไม่ได้ใช้งาน (ค่าเศษส่วน) x 360 °
ทิศทางขา
ทิศทางขาของสปริงแรงบิดหมายถึงวิธีที่ขาโค้งงอสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางของสปริง การดัดงอที่คมชัดของขารองรับสามารถจํากัดความสามารถในการรับน้ําหนักของสปริงได้ เนื่องจากความเครียดมักกระจุกตัวอยู่ในบริเวณที่ดัด ทิศทางขาประเภททั่วไป ได้แก่ แกน สัมผัส รัศมี และแนวรัศมี ในหมู่พวกเขา การกําหนดค่าขาสัมผัสมีความเครียดน้อยที่สุด
ทิศทางขา
สไตล์ขา
ขาของสปริงแรงบิดสามารถบิดงอเกี่ยวหรือคล้องเพื่อการติดตั้งและการใช้งานที่ง่ายดาย ต่อไปนี้เป็นรูปแบบขาทั่วไปสําหรับสปริงแรงบิด แต่สามารถจัดเตรียมรูปแบบขาที่กําหนดเองได้ตามความต้องการของลูกค้า
ขาตรง
ขาออฟเซ็ตตรง
ปลายตะขอสั้น
ปลายบานพับ
ปลายวงกลม
สไตล์ขา
ประสิทธิภาพของสปริงแรงบิดถูกกําหนดโดยลักษณะและพารามิเตอร์ต่อไปนี้:
ดัชนีฤดูใบไม้ผลิ
ดัชนีสปริงคืออัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยต่อเส้นผ่านศูนย์กลางลวดของสปริงแรงบิด ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความหนาแน่น ความแข็งแรง และความสามารถในการผลิตของคอยล์สปริง ·ด้วยการลดดัชนีสปริงความแข็งแรงของสปริงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางลวดหรือลดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสปริง เมื่อเทียบกับสปริงลวดแบบบาง สปริงลวดหนามีความแข็งแรงมากกว่า การลดดัชนีสปริงจะทําให้ขดลวดกระชับขึ้นและเพิ่มแรง แต่จะเพิ่มความเค้นอัดบนขดลวดด้วย เนื่องจากการสึกหรอของแม่พิมพ์ที่เพิ่มขึ้นและการประมวลผลเพิ่มเติมที่จําเป็นเพื่อยืดอายุการใช้งานการผลิตสปริงที่มีดัชนีต่ํากว่าจึงมีความท้าทายมากขึ้น ไม่สามารถผลิตสปริงที่มีดัชนีต่ํากว่า 4 หรือสูงกว่า 25 ได้ และช่วงที่เหมาะสมมักจะอยู่ระหว่าง 6 ถึง 12
การโก่งตัวเชิงมุม
การโก่งตัวเชิงมุมคือระยะทางเชิงมุมที่ขาข้างหนึ่งของสปริงแรงบิดเคลื่อนที่จากตําแหน่งอิสระไปยังสถานะโหลด
การกระจัดเชิงมุม
การโก่งตัวสูงสุด
การโก่งตัวสูงสุดที่อนุญาตคือการโก่งเชิงมุมสูงสุดที่สปริงแรงบิดสามารถทําได้ภายใต้ภาระโดยไม่ต้องงอหรือความเครียดมากเกินไป หากสปริงเกินการโก่งตัวนี้ขดลวดอาจไม่สามารถกลับสู่ตําแหน่งเดิมได้หลังจากถอดโหลดออกเนื่องจากวัสดุที่ให้ผลผลิต
การโก่งตัวเชิงมุมสูงสุดคือระดับที่สปริงแรงบิดสามารถบิดได้ภายใต้ภาระซึ่งเกินกว่านั้นจะโค้งงอเนื่องจากความเครียดมากเกินไป โดยทั่วไป สปริงแรงบิดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าและขดลวดมากกว่าจะมีความสามารถในการโก่งตัวสูงกว่า ตัวอย่างเช่น สปริงประตูโรงรถสามารถทนต่อการหมุนได้หลายครั้งโดยไม่โค้งงอ เนื่องจากมีขดลวดจํานวนมากและความเครียดในการออกแบบต่ํา
โหลดสูงสุด
โหลดสูงสุดคือแรงบิดสูงสุดที่สปริงแรงบิดสามารถใช้กับขาสปริงก่อนดัด ความสามารถในการรับน้ําหนักของสปริงแรงบิดถูกจํากัดโดยการโก่งตัวสูงสุดหรือโหลดสูงสุด (แล้วแต่ว่าอย่างใดจะถึงก่อน)
ความแข็งของสปริง
ความแข็งของสปริงคือการวัดแรงหมุนที่ใช้กับสปริงแรงบิดต่อหน่วยการกระจัดเชิงมุม สูตรต่อไปนี้สามารถใช้คํานวณความแข็งของสปริงของสปริงแรงบิดเกลียววงกลม:
อัตราสปริงต่อองศา (ปอนด์นิ้ว / องศา) = PL/Θ = xd^4 / 3888 x D x Na
ในสมการนี้ P หมายถึงโหลด L หมายถึงแขนแรง Θ แสดงถึงการกระจัดเชิงมุม d หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางลวด D หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย Na แสดงถึงจํานวนขดลวดที่มีประสิทธิภาพ และ แสดงถึงโมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุ ค่าคงที่ 3888 เป็นค่าสัมประสิทธิ์ทางทฤษฎีที่ใช้ในการปรับแรงเสียดทานระหว่างขดลวดที่อยู่ติดกันและระหว่างตัวสปริงกับส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ
ตารางต่อไปนี้แสดงโมดูลัสยืดหยุ่นของลวดสปริงแรงบิดประเภทต่างๆ ซึ่งมีความสําคัญต่อการคํานวณความแข็งของสปริง:
โมดูลัสยืดหยุ่นของลวดสปริง
โมดูลัสยืดหยุ่นของลวดสปริง (psi x 10 6)
มิวสิคไลน์ 30
สแตนเลสเกรด 302, 304 และ 316 28
17-7 สแตนเลส 29.5
โครเมียมวาเนเดียมสามสิบ
โครเมียมซิลิกอนสามสิบ
ฟอสเฟอร์บรอนซ์ 15
ค่าคงที่ของสปริงสัมพันธ์กับแรงบิดและการกระจัดเชิงมุมดังแสดงในสมการต่อไปนี้ ความสัมพันธ์นี้ช่วยกําหนดปริมาณแรงบิดที่จําเป็นสําหรับการกระจัดเชิงมุมเฉพาะหรือปริมาณการกระจัดเชิงมุมที่จําเป็นในการสร้างแรงบางอย่าง
การกระจัดเชิงมุม = แรงบิด / ความแข็งของสปริง
แรงบิด = ความแข็งของสปริง x การกระจัดเชิงมุม
ความดัน
ความเค้นดัดของสปริงแรงบิดแบบเกลียวสามารถคํานวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
ความเค้นดัด (psi) = 32 PLK / π d ³
ที่นี่ K แสดงถึงค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไขความเค้นดัด เมื่อใช้แรงบิดกับสปริงแรงบิดทั้งเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในและด้านนอกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเค้นดัดที่พื้นผิวด้านในสูงกว่าเมื่อเทียบกับพื้นผิวด้านนอก สําหรับสปริงแรงบิดเกลียววงกลม ปัจจัยการแก้ไขความเค้นดัดสําหรับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในจะคํานวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้ที่พัฒนาโดย Wahl:
รหัสข้อมูลที่สําคัญ=[4C ² - C-1]/[4C (C-1)]
ที่นี่\ (C \) หมายถึงดัชนีสปริง ความเค้นดัดที่เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในและด้านนอกสามารถคํานวณโดยประมาณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
รหัสข้อมูลคีย์=[4C-1]/[4C-4]
รหัส = [4C + 1] / [4C + 4]
ควรโหลดสปริงแรงบิดในทิศทางที่ทําให้เส้นผ่านศูนย์กลางสปริงลดลงเนื่องจากการใช้ความเค้นในการขึ้นรูปที่เหลือในทิศทางนี้เป็นประโยชน์