Introductie veerontwerp

Krijg een globaal inzicht in het ontwerp van golffeders, prestatiekenmerken en engineeringoverwegingen zoals belasting en indrukking, bedrijfsspanning, vermoeiingslevensduur en veerconstante. Deze inleidende bron biedt de basis voor het evalueren van golffederoplossingen en verwijst naar meer diepgaande ontwerpmethodologieën, berekeningen en toepassingsrichtlijnen op basis van specifieke technische vereisten.

Standaardveren versus maatwerkveeroplossingen

Of uw toepassing nu een standaardcomponent of een maatwerkoplossing vereist, Smalley kan u helpen. Een van onze engineers kan u helpen bij het maken van een keuze uit meer dan 4000 standaardonderdelen die verkrijgbaar zijn in koolstof- en roestvast staal. Voor unieke eisen biedt Smalleys edgewinding-productie maximale flexibiliteit en kwaliteit. Of uw ontwerp nu één veer of één miljoen veren nodig heeft, overweeg Smalley voor uw speciale veereisen.

Het definiëren van de veereisen

Hoewel de toepassingen van golffeders uiterst divers zijn, is er een basisset regels voor het definiëren van de veervereisten. Eigenschappen zoals inbouwruimte, veerafmetingen en materiaal zijn allemaal relevante parameters die de vereisten van de veer definiëren. Deze eisen worden gebruikt om een standaard/voorraadveer te selecteren of een speciale veer te ontwerpen die aan de specificaties voldoet.

Ontwerpoverwegingen voor golfveren

De werkruimte bestaat gewoonlijk uit een boring waarin de veer werkt en/of een as waar de veer vrij van blijft. De veer blijft gepositioneerd door centrering in de boring of op de as. De afstand tussen de belastingsvlakken bepaalt de axiale werkruimte of werkhoogte van de veer.

De materiaaldoorsnede speelt een belangrijke rol bij het ontwerp van golffeders. Voordelige materialen, zoals koolstofstaal, worden gebruikt bij de productie van standaardonderdelen van Smalley. Daarnaast worden veel andere materiaaldoorsneden vaak gebruikt in speciale veerontwerpen. De engineeringafdeling van Smalley kan ondersteuning bieden bij het selecteren van een voordelige legering en doorsnede.

Voor golfveren van het overlappingstype en meervoudig gewikkelde Spirawave-veren moet de radiale wand voldoende zijn om verkeerde uitlijning tussen aangrenzende lagen te voorkomen. Voor veren met een smalle radiale wand kan radiale misuitlijning optreden tijdens hantering of werking als de veer niet is opgesloten of nauwkeurig wordt geleid.

Oplossingen voor dit probleem omvatten het dimensioneren van de veer voor een nauwe geleiding op de I.D. en/of O.D., of het ontwerpen van de veer als een enkelwindse veer met spleet.

Voor veren die op een as worden geleid, kan de binnendiameter van een tolerantie worden voorzien om een minimale speling ten opzichte van de as te bieden. Aangezien golfveren tijdens compressie uitzetten, is interferentie met de as over het algemeen geen probleem.

Voor veren die in de boring centreren, moeten de diameters van de boring en de as in de veerspecificaties worden opgenomen. De werkelijke veerdiameter wordt vervolgens tijdens de fabricage bepaald om de beste passing te bieden en klemmen als gevolg van uitzetting te voorkomen.

Voor Gap Type- en Overlap Type-veren kan de buitendiameter worden gespecificeerd, omdat klemmen geen probleem is. De buitendiameter kan van een tolerantie worden voorzien om te zorgen voor een minimale speling in de boring of voor klemming in de boring, net als bij de Smalley Bearing Preload Springs.

De belastingseis wordt gedefinieerd door de hoeveelheid axiale kracht die de veer moet leveren wanneer deze op zijn werkhoogte is geïnstalleerd. Sommige toepassingen vereisen meerdere werkhoogten, waarbij belastingen bij 2 of meer bedrijfshoogten kritisch zijn en in het ontwerp moeten worden meegenomen. Vaak zijn minimale en/of maximale belastingen toereikende oplossingen, met name waar tolerantiestapelingen inherent zijn aan de toepassing.

Bij veertoepassingen moet rekening worden gehouden met hoge temperaturen, dynamische belasting (vermoeidheid), corrosieve media of andere ongebruikelijke bedrijfsomstandigheden. Oplossingen voor diverse omgevingsomstandigheden vereisen doorgaans de selectie van de optimale grondstof en bedrijfsspanning.

Het samendrukken van een golffeder veroorzaakt buigspanningen die vergelijkbaar zijn met die van een eenvoudige balk onder buiging. Deze druk- en trekspanningen beperken de mate waarin een veer kan worden samengedrukt voordat deze vloeit of “een blijvende vervorming aanneemt”. Hoewel zetting soms niet acceptabel is, zullen belastings- en doorbuigingsvereisten het ontwerp er vaak toe dwingen om in de loop van de tijd enige zetting of „relaxatie” te accepteren.

Statische toepassingen: Smalley maakt gebruik van de minimale treksterkte uit onze tabellen van standaardveren om de vloeigrens te benaderen, vanwege de minimale rek van de geharde platte draad die in Smalley-producten wordt gebruikt. Bij het ontwerpen van veren voor statische toepassingen bevelen wij aan dat de berekende werkspanning niet groter is dan 100% van de minimale treksterkte. Afhankelijk van bepaalde toepassingen kan de bedrijfsspanning echter de minimale treksterkte overschrijden, rekening houdend met de vloeigrens. Typische factoren om rekening mee te houden zijn blijvende vervorming, relaxatie, krachtverlies en/of verlies van vrije hoogte.

Dynamische toepassingen: Bij het ontwerpen van golffeders voor dynamische toepassingen adviseert Smalley dat de berekening van de werkspanning niet meer bedraagt dan 80% van de minimale treksterkte.

Het verhogen van de belastbaarheid en/of de vermoeiingslevensduur kan worden bereikt door een veer voorbij de elastische vloeigrens samen te drukken, ofwel door “presetting”. Vooraf ingestelde veren worden geproduceerd met een grotere vrije hoogte en belasting, die vervolgens tot blokhoogte worden samengedrukt. Zowel de vrije hoogte als de belasting zijn gereduceerd en de materiaaloppervlakken vertonen nu restspanningen, die de veerprestaties verbeteren.

Vermoeidheidsbelasting is een belangrijke overweging bij het ontwerp van golffeders. Het nauwkeurig bepalen van hoeveel een veer doorbuigt, kan een grote invloed hebben op de prijs van de veer. Een analyse moet omvatten of de veer de volledige slag doorbuigt, slechts enkele duizendsten per cyclus, of mogelijk een combinatie van beide naarmate onderdelen slijten of de temperatuur verandert.

Formule:

Fatigue Stress Ratio	Estimated Cycle Life
.00 < X < .40	Under 30,000 cycles
.40 < X < .49	30,000 - 50,000 cycles
.50 < X < .55	50,000 - 75,000 cycles
.56 < X < .60	75,000 - 100,000 cycles
.61 < X < .67	100,000 - 200,000 cycles
.68 < X <.70	200,000 - 1,000,000 cycles
.70 < X	over 1,000,000 cycles

Nomenclatuur

σ = Treksterkte materiaal

S1 = Berekende werkspanning op lagere werkhoogte

S2 = Berekende werkspanning op bovenste werkhoogte

U kunt de Spring Design Calculator gebruiken om snel de werkspanningen en de geschatte levensduur te bepalen, of de formules zijn te vinden op de pagina's Enkelwinds met spleet of overlappend en Meerwindse (crest‑to‑crest) Spirawave.

Een vergelijking van de werkelijke veerconstante met de theoretische (berekende) veerconstante biedt praktische grenzen voor het werkbereik van de veer. De veerconstante (P/f) kan worden berekend door de deflectievergelijkingen te herleiden. Over het algemeen is de theoretische veerconstante nauwkeurig totdat de veer begint te blokgaan of zijn “blokhoogte” bereikt.

Als algemene regel geldt dat de berekende veerconstante lineair is over de eerste 80% van de beschikbare veerweg en voor werkhoogtes tot 2 keer de blokhoogte. Hoewel de veer buiten dit “lineaire” bereik kan werken, zullen de gemeten belastingen veel hoger zijn dan berekend.

Meer informatie over Enkelwinds met spleet of overlappend, Meerwindse (Crest‑to‑Crest) Spirawave- en Geneste Spirawave-onderdelen vindt u op de overeenkomstige pagina’s.

Golfveren oefenen een grotere kracht uit bij indrukken en een lagere kracht bij ontlasten. Dit effect staat bekend als hysterese. Het gearceerde gebied toont een grafische weergave tussen de curven.

Bij een enkelwindse golfveer zijn wrijvingen als gevolg van omtrek- en radiale bewegingen de belangrijkste oorzaken. Crest-to-crest- en geneste veren dragen ook bij aan het wrijvingsverlies doordat aangrenzende lagen tegen elkaar wrijven. Voldoende smering zal dit effect minimaliseren.

Alleen voor geneste en crest-to-crest-Spirawaves: Meerslagse Spirawaves zetten uit in diameter wanneer ze worden samengedrukt. De hieronder getoonde formule wordt gebruikt om de maximale diameter bij volledige samendrukking te berekenen.

Formule:

Nomenclatuur

ODM = Buitendiameter bij blokhoogte (in)

R = Golfstraal (in) = (4Y² + X²)/8Y

N = Aantal golven

θ = Hoek = ArcSin[X/(2R)] (graden)

b = Radiale wanddikte (in)

X = 1/2 golffrequentie = (πD_M)/(2N)

Y = 1/2 gemiddelde vrije hoogte = (H-t)/2

Waarbij H = Vrije hoogte per winding (in)

Lineaire veren zijn een continue golfvormige (gegolfde) draadlengte geproduceerd uit veerharde materialen. Ze fungeren als een belastingsdragend onderdeel met ongeveer dezelfde kracht-doorbuigingskarakteristieken als een golfveer.

Krachten werken axiaal of radiaal, afhankelijk van de inbouwpositie. Axiale druk wordt verkregen door de expander vlak in een rechte lijn neer te leggen. Het circulair wikkelen van de expander (bijvoorbeeld om een zuiger) produceert een radiale kracht of naar buiten gerichte druk.

Spring Design Formulas

Enkelwinds spleet- of overlappend type

Lage tot gemiddelde kracht
Lage tot gemiddelde veerconstante
Korte indrukking
Nauwkeurige kracht-/doorbuigingskarakteristieken

Enkelwindse golfveren worden gebruikt in de meest uiteenlopende veertoepassingen wegens hun lagere kosten en vereenvoudigde ontwerpconfiguratie. Ze bieden ontwerpers de meeste flexibiliteit. Er zijn weinig beperkingen in het ontwerp ervan en ze worden gespecificeerd in de meeste toepassingen met kleine axiale en radiale ruimtegebreken.

Formules

Deflection:
f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)

Operating Stress:
S = (3π P Dₘ) / (4 b t² N²)

Nomenclatuur

b = radiale wanddikte, in. [(O.D. - I.D.)÷2]
Dm = Gemiddelde diameter (in) [(O.D. + I.D.)÷2]
E = Elasticiteitsmodulus (psi)
f = doorbuiging (in.)
H = Vrije hoogte (in.)
B.D. = binnendiameter (in.)
K = Factor voor meervoudige golven
L = totale lineaire lengte (in.)
N = Aantal golven (per winding)
B.D. = buitendiameter (in.)
P = Belasting (lb.)
S = Werkspanning (psi)
t = Materiaaldikte (in.)
W.H. = Werkhoogte (in.) [H-F]
Z = Aantal windingen

Factor voor meervoudige golven (K)
N	2.0 - 4.0	4.5 - 6.5	7.0 - 9.5	10.0 +
K	3.88	2.90	2.30	2.13

Crest-to-crest

Lage tot gemiddelde kracht
Lage tot gemiddelde veerconstante
Grote veerweg
Nauwkeurige kracht-/doorbuigingskarakteristieken

Crest-to-Crest Spirawave platdraaddrukveren zijn vooraf in serie gestapeld, waardoor de veerconstante wordt verlaagd met een factor in verhouding tot het aantal windingen.

Equations:

Deflection = f = (P K Dₘ³ Z / E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)

Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N²)

Opmerking:
N moet in stappen van ½ golf zijn.
Z = Aantal actieve windingen.

Nomenclatuur

b = radiale wanddikte, in. [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = Gemiddelde diameter, in. [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = Elasticiteitsmodulus (psi)
f = Doorbuiging (in.)
H = Vrije hoogte (in.)
B.D. = binnendiameter (in.)
K = Factor voor meervoudige golven
L = totale lineaire lengte (in.)
N = Aantal golven (per winding)
B.D. = buitendiameter (in.)
P = Belasting (lb.)
S = Werkspanning (psi)
t = Materiaaldikte (in.)
W.H. = Werkhoogte (in.) [H-f]
Z = Aantal windingen

Factor voor meervoudige golven (K)
N	2.0 - 4.0	4.5 - 6.5	7.0 - 9.5	10.0+	N
K	3.88	2.90	2.30	2.13	K

Hoge kracht
Hoge veerconstante
Korte indrukking
Nauwkeurige kracht-/doorbuigingskarakteristieken

Nested Spirawave-golffeders zijn platdraad-golffeders met meerdere wikkelingen die parallel zijn uitgelijnd, waardoor de veerconstante wordt verhoogd met een factor die gerelateerd is aan het aantal wikkelingen.

Formules

Deflection = f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴ Z) × (I.D. / O.D.)

Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N² Z)

Nomenclatuur

Factor voor meervoudige golven (K)
N	2.0 - 4.0	4.5 - 6.5	7.0 - 9.5	10.0+
K	3.88	2.9	2.3	2.13

Introductie veerontwerp

Standaardveren versus maatwerkveeroplossingen

Het definiëren van de veereisen

Ontwerpoverwegingen voor golfveren

Veerprestaties berekenen

Nomenclatuur

Nomenclatuur

Spring Design Formulas