تقوم نوابض الضغط بتخزين الطاقة الميكانيكية عند ضغطها وتحرر الطاقة الميكانيكية عند إزالة الحمل. على الرغم من أن نوابض الضغط مصنوعة عمومًا من الفولاذ الزنبركي، إلا أنها قد تحتوي أيضًا على الكربون والمغنيسيوم والنيكل والكروم والقصدير والنحاس والتنغستن والألمنيوم.
تخلق المواد المختلفة درجات متفاوتة من المرونة وقدرة تخزين الطاقة لنوابض الضغط.
اقترح روبرت هوك صيغة في وقت مبكر من عام 1676 لحساب القوة التي يؤثر بها الزنبرك، والتي تتناسب مع استطالته.
نوابض الضغط عبارة عن أجهزة ميكانيكية مصممة خصيصًا لاستشعار أحمال الضغط المحورية. ويمكن أيضًا عادةً أن تمتد وتدور إلى حد ما. بشكل عام، يمكن للينابيع الانضغاطية تخزين الطاقة الميكانيكية عند تعرضها لأحمال الضغط. بمجرد إزالة الحمل، فإنها ستعود إلى شكلها وحجمها الأصليين - وتخضع لتشوه مرن.
هذه القدرة الفريدة على تخزين الطاقة الكامنة، إلى جانب بساطتها النسبية والقدرة على تحمل التكاليف، تجعل نوابض الضغط ذات قيمة في مجموعة واسعة من التطبيقات. من أزرار لوحة المفاتيح الميكانيكية، والمراتب، وأقلام الحبر الجاف، إلى الأسلحة النارية وممتصات الصدمات الخاصة بتعليق السيارات. منذ القرن الخامس عشر، نستخدم نوابض الضغط، وتم استخدام أول زنبرك ضغط في أجهزة الساعة.
أنواع نوابض الضغط
يمكن أن تحتوي نوابض الضغط على العديد من الأشكال الهندسية المختلفة. الأكثر شيوعا هي الملفات أو الينابيع الحلزونية. يعد هذا الشكل أكثر شيوعًا من الأشكال الأخرى لأنه يسمح بضغط عالي وتوسعة سلسة إلى حد ما. كما أنه أخف وزنًا لأنه يستخدم مواد أقل لتلبية الحاجة إلى امتصاص الأحمال المضغوطة. وأخيرًا، فإن شكل الزنبرك اللولبي يمنح هذا النوع ثابتًا زنبركيًا كبيرًا نسبيًا (وهو ما سيتم شرحه بالتفصيل لاحقًا).
وتنقسم هذه الفئة أيضًا إلى فئات فرعية، بما في ذلك:
مادة ربيع الضغط
عادة ما تكون نوابض الضغط مصنوعة من الفولاذ الزنبركي، وهو نوع من الفولاذ ذو قوة إنتاج عالية. وهذا يسمح لهم بالحفاظ على شكلهم وحجمهم وشكلهم الأصلي حتى عند تشوههم إلى أقصى الحدود. ولذلك، فإن هذه الفولاذ لديها مساحة تشوه مرنة كبيرة تحت الضغط. ويحدث هذا على المستوى الجزيئي، وبالتالي فإن تركيبة هذه الفولاذ لها تأثير كبير على مرونتها.
بشكل عام، يحتوي الفولاذ الزنبركي على الكربون والمنغنيز، بالإضافة إلى النيكل والكروم والموليبدينوم والقصدير والفاناديوم والنحاس والحديد والتنغستن والألمنيوم. يتم تصنيف الفولاذ الزنبركي بواسطة ASTM الرسمي بناءً على قوته وصلابته، لذلك يمكن أن تكون تركيبات المواد المختلفة مناسبة لتطبيقات مختلفة. على سبيل المثال، يتم استخدام ASTM A228 لأوتار البيانو، التي تحتوي على 0.7% -1% كربون و0.2% -0.6% منغنيز، مع أقصى عائد. قوة 530 ميجا باسكال وقوة الشد 400 ميجا باسكال.
خصائص نوابض الضغط
في هذا القسم، سأركز على إدخال النوابض اللولبية غير الملفوفة، حيث أن هذه النوابض هي أكثر النوابض الضاغطة استخدامًا. تتمتع هذه الينابيع بخصائص معينة لها أهمية كبيرة في أدائها. يشير القطر الخارجي (D) إلى قطر الأسطوانة التي شكلها الزنبرك عند النظر إليها من الأعلى. يشير قطر الملف إلى سمك (د) سلك الزنبرك، وهو أيضًا أسطواني. يشير الطول الحر (L) إلى الطول الإجمالي للزنبرك دون أي ضغط، في حين أن الحلزون الفعال (na) واللولب الكلي (n) هما عدد الملفات التي تخزن وتطلق الطاقة الميكانيكية، وعدد ملفات الناقل ( اثنان على الأقل مخصصان لنهاية/قاعدة الزنبرك). وهناك سمة مورفولوجية مهمة أخرى وهي اتجاه الدوران، والذي يمكن أن يسارًا أو يمينًا.
تتناسب القوة التي يؤثر بها الزنبرك طرديًا مع استطالته، وهو قانون اقترحه روبرت هوك عام 1676، خلال بضع سنوات قصيرة من تطبيق الزنبرك الأول. قدم هوك هذه الصيغة للعالم. "F=- kx"، حيث F هي قوة الزنبرك، وx هي مسافة التمدد، وk هو ثابت الزنبرك. يختلف كل ربيع عن الآخر ويتم تحديده من قبل الشركة المصنعة من خلال التجارب أو من قبل المستخدم من خلال الصيغ. ك=Gd4/[83dna]. كما ذكرنا سابقًا، فإن الملفات البرميلية والمخروطية عبارة عن نوابض غير خطية، لذا لا ينطبق عليها قانون هوك. لا ينطبق قانون هوك على النوابض التي تشوهت بالفعل أو تجاوزت الحد العام للمرونة.
قوة الزنبرك المضغوط بالكامل
لحساب قوة الزنبرك المضغوط بالكامل، يمكننا استخدام هذه الصيغة. Fmax =Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E هو معامل يونغ، d هو قطر السلك الفولاذي، L هو الطول الحر، و n هو عدد اللوالب/الملفات الفعالة، ν هي نسبة بواسون، و D هو القطر الخارجي. ومن الواضح أن بعضها يتحدد بالفولاذ الذي اختاره المصمم، والبعض الآخر يتحدد بشكل الزنبرك وشكله وحجمه.
متطلبات التصميم
عند تصميم زنبرك ضغط، أول شيء عليك أن تقرره هو المادة التي تريد استخدامها. ثم ابحث عن معامل القص (G) وقوة الشد (TS) من جدول البيانات. يعتبر هذان العاملان حاسمين لتحديد نسبة الإجهاد، على سبيل المثال، عند حساب متطلبات الحمل (100* σ/ احسب درجة ضغط الزنبرك عند حث حمل معين، بناءً على قوة الشد.
هناك اعتبار مهم آخر وهو قطر الزنبرك عند ضغطه إلى أقصى نقطة له. تميل نوابض الضغط الحلزونية إلى زيادة القطر أثناء الضغط. لذلك من المهم حساب هذا التوسع باستخدام الصيغة "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
يعتبر مؤشر الزنبرك مهمًا، ويحاول المصممون الحفاظ عليه ضمن النطاق من 4 إلى 10. وطريقة حسابه هي "C=(Dd/d)"، مما يوفر مفهومًا جيدًا لنسبة السلك سمك لقطر الربيع. سيحدد هذا القوة الإجمالية للزنبرك (الأصغر هو الأقوى، ولكن الأكبر هو الأسهل للضغط).
