Ontwerpvergelijkingen en principes van drukveren

Het zal ook ingaan op de basisprincipes van drukveren en belangrijke terminologieën uitleggen die elke ontwerper moet kennen.

De wet van Hooke

In figuur 1 wordt een axiale belasting (P) op een veer uitgeoefend en drukt deze samen.

Figuur 1. Schema van veerbelastingen. Bron: Yapparina/CC [1.0][SA]

De wet van Hooke stelt eenvoudigweg dat de kracht die nodig is om een ​​elastisch materiaal (zoals een veer) over enige afstand samen te drukken (of uit te rekken) evenredig is met die afstand. Dus wanneer een veer wordt samengedrukt zodat zijn lengte verandert met een hoeveelheid DL vanuit zijn evenwichtspositie, oefent de veer een kracht (F) uit naar zijn evenwichtspositie. Deze kracht wordt wiskundig uitgedrukt als:

 

waarbij:

 

L_o = ongecomprimeerde veerlengte
L = Veerlengte als gevolg van uitgeoefende kracht
k = Veerstijfheid (of veerconstante)

Het minteken wordt gewoonlijk toegevoegd om aan te geven dat de richting van de herstelkracht (F) als gevolg van de veer tegengesteld is aan de kracht (P), die de verplaatsing veroorzaakte.

Veerstijfheid (of veerconstante), k, is een maat voor de weerstand die de veer biedt tegen vervorming. Het wordt wiskundig uitgedrukt als:

 

   

Waar:

G = Afschuifmodulus van veermateriaal

D = gemiddelde diameter van de veer

d = Draadmaat

N = Aantal actieve spoelen

 Actieve spoelen zijn spoelen die al het werk doen en alle spanningen in de veer verwerken. Tabel 1 toont formules voor het schatten van het aantal actieve spoelen voor verschillende soorten veeruiteinden.

Tabel 1. Verschillende veeruiteinden met het bijbehorende aantal actieve spoelen.

Waarbij Nt = Totaal spoelen

Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het specificeren van veren

1: Vrije lengte en vaste lengte

Vrije lengte is de lengte van een veer wanneer er geen kracht op wordt uitgeoefend. Daarentegen is de vaste lengte (of slethoogte) de axiale lengte van de veer wanneer deze volledig is belast (of wanneer alle aangrenzende spoelen elkaar raken). Ofwel: massieve lengte is de kortst mogelijke lengte voor een drukveer zonder deze onherkenbaar te verpletteren.

Figuur 2. Massieve lengte van een drukveer Bron: Yapparina/CC [1.0][SA]

In de regel moeten ingenieurs een veer specificeren met een stevige lengte die overeenkomt met hun toepassingsvereisten. Dit kan worden gedaan door de aanbrengkrachtvereisten te vergelijken met de kracht die nodig is om de veer samen te drukken tot zijn massieve lengte. Als de veer tot zijn vaste lengte wordt samengedrukt voordat alle kracht is uitgeoefend, zorg er dan voor dat het product niet werkt zoals het hoort.

2: Pitch- en veerindex

Om de toonhoogte en veerindex beter te begrijpen, kunt u afbeelding 3 bekijken (een doorsnede van een drukveer).

Figuur 3. Doorsnede van een drukveer Bron: Yapparina/CC [1.0][SA]

 Pitch (p) is de axiale afstand van het midden van een spoel tot het midden van de aangrenzende spoel. Daarentegen is veerindex (C) de verhouding van de gemiddelde diameter van de veer tot de diameter van de draad waaruit de veer is opgebouwd. Wiskundig wordt dit uitgedrukt als:

Veerindex is een van de parameters die ingenieurs inzicht geven in de maakbaarheid en de productiekosten van hun veerontwerp. Als algemene regel geldt dat drukveren zo worden ontworpen dat ze een veerindex hebben tussen 5 en 12.

Drukveerontwerpen met een veerindex van minder dan 5 of groter dan 12 zijn over het algemeen uitdagender en duurder om te vervaardigen. Veren met een lage veerindex zullen doorgaans de slijtage van het gereedschap verhogen en vereisen extra bewerking om een ​​adequate levensduur te garanderen. Daarentegen vereisen veren met een hoge veerindex extra tolerantie op lengte en diameter.

3: Materiaal:

Met het brede scala aan technische materialen dat tegenwoordig beschikbaar is, kan het overweldigend zijn om een ​​materiaal voor drukveren te specificeren.

Er is geen perfect veermateriaal; de ideale keuze hangt af van je toepassingsvereisten en budget.

Roestvast staal is een ideaal veermateriaal voor toepassingen waar hoge hitte- en corrosiebestendigheid een must zijn. Veren van nikkellegeringen bieden een hoge sterkte en duurzaamheid, waardoor ze ideaal zijn voor zware en veeleisende toepassingen. Hardgetrokken koolstofstaal biedt ook een hoge duurzaamheid, maar is alleen ideaal voor toepassingen met lage spanning.

Andere factoren

Hoewel dit artikel nuttige informatie geeft over drukveren, zijn er nog andere factoren waarmee je rekening moet houden bij het specificeren van veren. Zo hebben ontwerpers nog te maken met onder andere veerspanningen, energieopname en belastingsfactor. 

Bron: Engineering 360