Feder (Gerät)

Helikal Sprungfedern für Spannung entwickelt
Eine schwere Spulenfeder für Kompression und Spannung
Das Englischer Langbogen - Eine einfache, aber sehr mächtige Quelle aus Eibemit einer Länge von 2 m (6 ft 7 Zoll) mit einem 470 n (105 lbf) Gewicht ziehenmit jeder Extremität funktionell eine fremdige Feder.
Kraft (f) gegen Erweiterung (s). Federmerkmale: (1) progressiv, (2) linear, (3) deGressive, (4) fast konstant, (5) progressiv mit Knie
Eine bearbeitete Quelle enthält mehrere Merkmale in ein Stück Barbestand
Militär Sprengfalle Feuergerät von UdSSR (normalerweise an a angeschlossen Tripwire) Federbelastung Schlagbolzen

A Frühling ist ein elastisch Objekt, das speichert mechanische Energie. Federn bestehen normalerweise aus Federstahl. Es gibt viele Frühlingsdesigns. Im täglichen Gebrauch bezieht sich der Begriff oft auf Sprungfedern.

Wenn eine herkömmliche Feder, ohne Steifigkeitsvariabilitätsmerkmale, komprimiert oder von ihrer Ruheposition gedehnt wird, übt sie einen Gegner aus Macht Ungefähr proportional zu seiner Längeänderung (diese Näherung bricht für größere Ablenkungen zusammen). Das Bewertung oder Federkonstante einer Feder ist die Veränderung der Kraft, die sie ausübt, geteilt durch die Änderung in Ablenkung der Frühling. Das heißt, es ist das Gradient der Kraft gegen Ablenkung Kurve. Ein Verlängerung oder Kompression Die Frühlingsrate wird in Krafteinheiten ausgedrückt, die durch Entfernung geteilt sind, z. B. N/M oder LBF/in. EIN Torsionsfeder ist eine Feder, die durch Verdrehen funktioniert; Wenn es durch einen Winkel um seine Achse verdreht wird, erzeugt es a Drehmoment proportional zum Winkel. Die Rate eines Torsionsfeders liegt in Einheiten des Drehmoment N · m/rad oder ft · lbf/Grad. Die Umkehrung der Federrate ist die Einhaltung der Einhaltung: Wenn eine Feder eine Rate von 10 n/mm hat, hat sie eine Einhaltung von 0,1 mm/n. Die Steifheit (oder Rate) von Federn parallel ist Zusatzstoff, ebenso wie die Einhaltung von Federn in Reihe.

Federn bestehen aus einer Vielzahl von elastischen Materialien, wobei der häufigste Federstahl ist. Kleine Federn können aus vorgehärtetem Bestand gewickelt werden, während größere Aussagen aus geglüht Stahl und verhärtet nach der Herstellung. Etwas Nichteisenmetalle werden auch verwendet, einschließlich Phosphorbronze und Titan für Teile, die Korrosionsbeständigkeit erfordern und Berylliumkupfer für Federn, die einen elektrischen Strom tragen (aufgrund seines niedrigen elektrischen Widerstands).

Geschichte

Einfache nicht gezuge Federn wurden in der gesamten Geschichte der Menschheit verwendet, z. das Verneigung (und Pfeil). In der Bronzezeit wurden anspruchsvollere Federgeräte verwendet, wie die Ausbreitung von gezeigt Pinzette in vielen Kulturen. Ctesibius von Alexandria entwickelte eine Methode zur Herstellung Bronze- Mit federartigen Eigenschaften durch die Herstellung einer Bronzelegierung mit einem erhöhten Zinnanteil und verhärtet sie dann durch Hämmern, nachdem es gegossen wurde.

Sprengungen gewickelt erschien Anfang des 15. Jahrhunderts,[1] in Türschlössern.[2] Die erste Frühlingspfeier erschien in diesem Jahrhundert[2][3][4] und entwickelte sich im 16. Jahrhundert zu den ersten großen Uhren.

1676 britischer Physiker Robert Hooke postuliert Hookes Gesetz, was besagt, dass die Kraft, die eine Feder ausübt, proportional zu ihrer Ausdehnung ist.

Typen

Eine Spiralentorsionsfeder oder Haarspring, in einem (n Wecker.
Batteriekontakte haben häufig eine variable Feder
A Voltefeder. Unter Kompression rutschen die Spulen übereinander und bieten also längere Reise.
Vertikale Voltefedern von Stuart tank
Auswahl verschiedener Bogenfedern und Arc -Federsysteme (Systeme, die aus inneren und äußeren Bogenfedern bestehen).
Spannungsfedern in einem gefalteten Leitungsleitungsgerät.
Eine Torsionsstange unter Last verdreht
Blattfeder auf einem LKW

Einstufung

Federn können je nachdem, wie die Lastkraft auf sie angewendet wird:

Spannungs-/Verlängerungsfeder
Die Feder ist für den Betrieb mit a ausgelegt Spannung Last, sodass die Feder beim Auftragen der Last darauf verwendet wird.
Druckfeder
Entwickelt, um mit einer Kompressionslast zu arbeiten, so dass die Feder kürzer wird, wenn die Last darauf verwendet wird.
Torsionsfeder
Im Gegensatz zu den oben genannten Typen, bei denen die Last eine axiale Kraft ist, ist die auf eine Torsionsfeder aufgetragene Last a a Drehmoment oder Verdrehungskraft und das Ende der Feder dreht sich durch einen Winkel, wenn die Last angewendet wird.
Ständige Feder
Die unterstützte Last bleibt während des gesamten Ablenkungszyklus gleich[5]
Variabler Quelle
Widerstand der Spule gegen die Belastung variiert während der Kompression[6]
Variable Steifigkeitsfeder
Der Widerstand der Spule zur Belastung kann beispielsweise vom Steuerungssystem dynamisch variiert werden. Einige Arten dieser Federn variieren auch ihre Länge, wodurch auch Betätigungsfähigkeiten bereitgestellt werden können [7]

Sie können auch basierend auf ihrer Form klassifiziert werden:

Flache Feder
Aus einer Wohnung gemacht Federstahl.
Bearbeitungsfeder
Hergestellt durch Bearbeitungsstangenbestand mit einem Dreh- und/oder Fräsenbetrieb und nicht mit einem gewissen Betrieb. Da es bearbeitet wird, kann die Feder zusätzlich zum elastischen Element Merkmale enthalten. Bearbeitete Federn können in den typischen Lastfällen von Komprimierung/Ausdehnung, Torsion usw. hergestellt werden.
Serpentinenfeder
Ein Zick-Zack dicker Draht, der häufig in modernen Polsterung/Möbeln verwendet wird.
Strumpfband Frühling
Eine gewickelte Stahlfeder, die an jedem Ende angeschlossen ist, um eine kreisförmige Form zu erzeugen.

Gängige Typen

Die häufigsten Frühlingsarten sind:

Ausleger Frühling
Eine flache Feder nur an einem Ende wie a Ausleger, während das frei hängende Ende die Ladung nimmt.
Spulenfeder
Auch als helikale Feder bekannt. Eine Feder (hergestellt durch Wickeln eines Drahtes um einen Zylinder) besteht aus zwei Arten:
  • Spannung oder Verlängerungsfedern sind so konzipiert, dass sie länger unter Last werden. Ihre Kurven (Loops) berühren normalerweise in der entladenen Position und haben an jedem Ende einen Haken, ein Auge oder ein anderes Bindungsmittel.
  • Kompressionsfedern sind so konzipiert, dass sie beim Laden kürzer werden. Ihre Kurven (Loops) berühren sich nicht in der entladenen Position und benötigen keine Anhaftungspunkte.
  • Hohlrohrquellen Kann entweder Verlängerungsfedern oder Komprimierungsfedern sein. Hohlrohr ist mit Öl und den Mitteln gefüllt, um den hydrostatischen Druck im Schlauch wie eine Membran oder einen Miniaturkolben usw. zu ändern, um die Feder zu härten oder zu entspannen, ähnlich wie es mit Wasserdruck in einem Gartenschlauch passiert. Alternativ der Querschnitt von Rohring wird von einer Form ausgewählt, die seinen Bereich ändert, wenn der Schlauch einer Torsionsdeformation ausgesetzt ist durch Ventil kontrolliert werden, wodurch die Steifheit gesteuert wird. Es gibt viele andere Designs von Federn aus Hohlrohr, die die Steifheit mit jeder gewünschten Frequenz verändern können, die Steifheit durch ein Mehrfachmultizen verändern oder sich wie ein linearer Aktuator zusätzlich zu den Frühlingsqualitäten bewegen.
Bogenfeder
Eine vorgezogene oder bogenförmige helikale Kompressionsfeder, die ein Drehmoment um eine Achse übertragen kann.
Voltefeder
Eine Druckspule Spring in Form von a Kegel so dass die Spulen unter Kompression nicht gegeneinander gezwungen werden, was längere Reise ermöglicht.
Bilanz Spring
Auch als Haarspring bekannt. Eine empfindliche Spiralfeder verwendet in Uhren, Galvanometerund Orte, an denen Strom zu teilweise rotierenden Geräten wie z. Lenkräder ohne die Rotation zu behindern.
Blattfeder
Eine flache Feder im Fahrzeug verwendet Suspensionen, elektrisch Schalter, und Bögen.
V-Spring
In Antike verwendet Feuerwaffe Mechanismen wie die Radblockierung, Flintlock und Zündhütchen Schlösser. Auch Tür-Lock-Feder, wie in antiken Türverriegelungsmechanismen verwendet.[8]

Andere Arten

Andere Typen sind:

Belleville Waschmaschine
Eine Scheibenformfeder, die üblicherweise verwendet wird, um Spannung auf einen Bolzen anzuwenden (und auch im Initiationsmechanismus des druckaktivierten Landminen)
Frühling konstanter Kraft
Ein dicht gerolltes Band, das eine nahezu konstante Kraft ausübt, wenn es abgerollt ist
Gasfeder
Ein Volumen von Druckgas.
Idealer Frühling
Eine in der Physik verwendete fiktive Feder: Es hat keine Gewichts-, Massen- oder Dämpfungsverluste. Die durch die Feder ausgeübte Kraft ist proportional zur Entfernung, die die Feder aus ihrer entspannten Position gedehnt oder zusammengedrückt wird.[9]
Triebfeder
Eine spiralförmige Feder, die als Power Store von verwendet wird Uhrwerk Mechanismen: Uhren, Uhren, Musikboxen, aufziehen Spielzeuge, und Mechanisch angetriebene Taschenlampen
Negator Spring
Ein dünnes Metallband, das im Querschnitt leicht konkav ist. Bei der Auffassung nimmt es einen flachen Querschnitt an, aber wenn er abgerollt hat, kehrt er in seine frühere Kurve zurück, wodurch während der gesamten Verschiebung eine konstante Kraft erzeugt wird und negieren Jede Tendenz zum Wiederieren. Die häufigste Anwendung ist die einziehende Stahlbandregel.[10]
Progressive Rate Coil Springs
Eine Spulenfeder mit einer variablen Rate, die normalerweise durch einen ungleichen Abstand zwischen den Kurven erreicht wird, so dass die Feder eine oder mehrere Spulen gegen ihren Nachbarn ruht.
Gummiband
Eine Spannungsfeder, bei der Energie durch Strecken des Materials gespeichert wird.
Frühling Waschmaschine
Wird verwendet, um eine konstante Zugkraft entlang der Achse von a aufzutragen Verschluss.
Torsionsfeder
Jede Feder, die eher verdreht als komprimiert oder erweitert wird.[11] Benutzt in Drehstab Fahrzeugsuspensionssysteme.
Wellenfeder
Jede von vielen wellenförmigen Federn, Unterlegscheiben und Expandern, einschließlich linear Marcelled Nach industriellen Begriffen, normalerweise durch das Stempeln, in ein welliges reguläres Muster, das zu krummlinigen Lappen führt. Es gibt auch runde Drahtwellenfedern. Zu den Typen gehören Wellenwaschanlagen, Einzelwellenfeder, Multi-Turn-Wellenfeder, lineare Wellenfeder, Marcel-Expander, Interlaced Wave Spring und verschachtelte Wellenfeder.

Physik

Hookes Gesetz

Solange nicht über ihre gestreckt oder komprimiert werden Elastizitätsgrenze, Die meisten Quellen gehorchen Hookes Gesetz, das besagt, dass die Kraft, mit der die Feder zurückdrückt, linear proportional zum Abstand von ihrer Gleichgewichtslänge ist:

wo

x ist der Verschiebungsvektor - der Abstand und die Richtung, die die Feder von seiner Gleichgewichtslänge deformiert wird.
F ist der resultierende Kraftvektor - die Größe und Richtung der Wiederherstellungskraft der Federausfälle
k ist der Bewertung, Federkonstante oder Kraftkonstante einer Konstante der Feder, die vom Material und Konstruktion der Feder abhängt. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die Kraft, die die Feder ausübt

Coil Springs und andere gemeinsame Federn gehorchen normalerweise dem Gesetz von Hooke. Es gibt nützliche Federn, die dies nicht tun: Federn, die auf Strahlbiegung basieren, können zum Beispiel Kräfte erzeugen, die variieren nichtlinear mit Verschiebung.

Bei konstanter Tonhöhe (Drahtendicke) haben konische Federn eine variable Rate. Eine konische Feder kann jedoch eine konstante Geschwindigkeit durch Erstellen der Feder mit einer variablen Tonhöhe haben. Eine größere Tonhöhe in den Spulen mit größerem Durchmesser und eine kleinere Tonhöhe in den Spulen mit kleinerem Durchmesser zwingt die Feder, wenn sie alle Spulen mit der gleichen Geschwindigkeit zusammenfassen oder erweitern, wenn sie deformiert werden.

Einfache harmonische Bewegung

Da ist Kraft gleich der Masse, m, Zeiten Beschleunigung, a, Die Kraftgleichung für eine Frühling, die Hookes Gesetz befolgt, sieht aus wie:

Die Verschiebung, xals Funktion der Zeit. Die Zeitspanne, die zwischen den Peaks verläuft Zeitraum.

Die Masse der Feder ist im Vergleich zur Masse der angeschlossenen Masse klein und wird ignoriert. Da die Beschleunigung einfach die zweite ist Derivat von x in Bezug auf die Zeit,

Dies ist eine lineare zweite Ordnung Differentialgleichung für die Verschiebung als Funktion der Zeit. Umordnen:

Die Lösung ist die Summe von a Sinus und Kosinus:

und sind willkürliche Konstanten, die durch Berücksichtigung der anfänglichen Verschiebung und Geschwindigkeit der Masse gefunden werden können. Die Grafik dieser Funktion mit (Null Anfangsposition mit einer positiven Anfangsgeschwindigkeit) wird im Bild rechts angezeigt.

Energiedynamik

Im einfache harmonische Bewegung eines Federmassesystems schwankten Energie zwischen kinetische Energie und potenzielle Energie, aber die Gesamtenergie des Systems bleibt gleich. Eine Frühling, die gehorcht Hookes Gesetz mit Frühlingskonstante k wird eine Gesamtsystemergie haben E von:[12]

Hier ist a das Amplitude der wellenähnlichen Bewegung, die durch das oszillierende Verhalten der Feder erzeugt wird.

Die potentielle Energie U eines solchen Systems kann durch die Federkonstante bestimmt werden k und seine Vertreibung x:[12]

Das kinetische Energie K eines Objekts in einfache harmonische Bewegung kann mit der Masse des angehängten Objekts gefunden werden m und die Geschwindigkeit bei dem das Objekt schwingt v:[12]

Da es keinen Energieverlust in einem solchen System gibt, ist Energie immer erhalten und daher:[12]

Frequenz & Periode

Das Winkelfrequenz ω eines Objekts in einer einfachen harmonischen Bewegung, die in Radiant pro Sekunde angegeben ist, wird unter Verwendung der Federkonstante gefunden k und die Masse des oszillierenden Objekts m[13]:

[12]

Die Periode T, Die Zeit, in der das Federmassensystem einen vollständigen Zyklus einer solchen harmonischen Bewegung absolviert hat, ist gegeben durch:[14]

[12]

Das Frequenz fDie Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, etwas in einfacher harmonischer Bewegung, findet sich durch die Umkehrung der Periode:[12]

[12]

Theorie

Im klassische PhysikEine Feder kann als ein Gerät angesehen werden, das speichert potenzielle Energie, speziell elastische Potentialergie, indem die Bindungen zwischen den belastet werden Atome von einem elastisch Material.

Hookes Gesetz von Elastizität stellt fest, dass die Ausdehnung eines elastischen Stabes (seine aufgehaltte Länge abzüglich ihrer entspannten Länge) linear proportional zu seiner ist Spannung, das Macht verwendet, um es zu dehnen. In ähnlicher Weise ist die Kontraktion (negative Ausdehnung) proportional zur Kompression (negative Spannung).

Dieses Gesetz gilt tatsächlich nur ungefähr und nur, wenn die Verformung (Erweiterung oder Kontraktion) im Vergleich zur Gesamtlänge der Stab gering ist. Für Verformungen jenseits der Elastizitätsgrenze, Atombindungen werden gebrochen oder neu angeordnet, und eine Feder kann schnappen, schnallen oder dauerhaft verformen. Viele Materialien haben keine klar definierte elastische Grenze, und das Hookesche Gesetz kann nicht sinnvoll auf diese Materialien angewendet werden. Darüber hinaus ist die lineare Beziehung zwischen Kraft und Verschiebung nur im Bereich mit niedrigem Dehnungsbereich geeignet.

Das Hooke's Law ist eine mathematische Folge der Tatsache, dass die potenzielle Energie des Stabes ein Minimum ist, wenn es seine entspannte Länge hat. Irgendein glatte Funktion einer Variablen approximiert a quadratische Funktion Bei der nahe genug untersuchten Mindeststelle, wie es durch Untersuchung der gesehen werden kann Taylor -Serie. Daher nähert sich die Kraft - die die Ableitung von Energie in Bezug auf Verschiebung ist - a lineare Funktion.

Kraft der voll komprimierten Feder

wo

E - Elastizitätsmodul
D - Federdrahtdurchmesser
L - Freie Frühlingslänge
n - Anzahl der aktiven Wicklungen
QUERKONTRAKTIONSZAHL
D - Außendurchmesser des Frühlings

Federn mit Nulllänge

Vereinfachte Lacoste-Suspension unter Verwendung einer Feder
Federlänge L gegen Kraft F Graph der gewöhnlichen (+), null Länge (0) und negativer Länge (-) mit der gleichen Mindestlänge L0 und Frühlingskonstante

"Spring mit Zero-Länge" ist ein Begriff für eine speziell gestaltete Spulenfeder, die keine Kraft ausüben würde, wenn sie keine Länge hätte; Wenn es aufgrund des endlichen Drahtdurchmessers einer solchen helikalen Feder keine Einschränkung gäbe, hätte dies im ungehrevierten Zustand keine Länge. Das heißt, in einer Liniengrafik der Springkraft im Vergleich zu ihrer Länge geht die Linie durch den Ursprung. Offensichtlich kann sich eine Spulenfeder nicht auf Null Länge zusammenziehen, da sich die Spulen irgendwann gegenseitig berühren und die Feder nicht mehr verkürzen kann.

Federn mit Null Länge werden durch Herstellung einer Spulenfeder mit eingebauter Spannung hergestellt (ein Wendung wird in den Draht eingeführt, während sie während der Herstellung gewickelt wird; dies funktioniert, weil eine gewickelte Feder "sich abbricht", wenn sie sich erstreckt). könnte Vertrag ferner, der Gleichgewichtspunkt der Feder, der Punkt, an dem seine Wiederherstellungskraft Null ist, tritt bei einer Länge von Null auf. In der Praxis werden Federn ohne Länge durch Kombinieren einer "negativen Länge" -Feene erfolgen, die mit noch mehr Spannung hergestellt wird, so würde bei null Länge auftreten.

Eine Länge ohne Länge kann so an einer Masse eines Scharnierbooms befestigt werden, dass die Kraft auf der Masse durch die vertikale Komponente der Kraft aus der Feder fast genau ausgeglichen ist, unabhängig von der Position des Auslegers. Dies schafft ein horizontales "Pendel" mit sehr langer Schwingung Zeitraum. Langzeitpendel ermöglichen Seismometer die langsamsten Wellen von Erdbeben zu spüren. Das Lacoste Suspension mit Federn mit Null-Länge wird auch in verwendet Gravimeter Weil es sehr empfindlich gegenüber Veränderungen in der Schwerkraft ist. Federn zum Schließen von Türen werden oft so gelegt, dass sie eine Länge von ungefähr null haben, so dass sie auch dann Kraft ausüben, wenn die Tür fast geschlossen ist, damit sie sie fest halten können.

Verwendet

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Federn Wie Produkte hergestellt werden, 14. Juli 2007.
  2. ^ a b White, Lynn Jr. (1966). Mittelalterliche Technologie und sozialer Wandel. New York: Oxford Univ. Drücken Sie. S. 126–27. ISBN 0-19-500266-0.
  3. ^ Usher, Abbot Payson (1988). Eine Geschichte mechanischer Erfindungen. Kurier Dover. p. 305. ISBN 0-486-25593-x.
  4. ^ Dohrn-Van Rossum, Gerhard (1998). Geschichte der Stunde: Uhren und moderne zeitliche Bestellungen. Univ. von Chicago Press. p. 121. ISBN 0-226-15510-2.
  5. ^ Konstante Quellen Rohrleitungstechnologie und Produkte (abgerufene März 2012)
  6. ^ Variable Frühlingsstützen Rohrleitungstechnologie und Produkte (abgerufene März 2012)
  7. ^ "Federn mit dynamisch variabler Steifheit und Betätigungsfähigkeit". 3. November 2016. Abgerufen 20. März 2018 - über Google.com. {{}}: Journal zitieren erfordert |journal= (Hilfe)
  8. ^ "Türschlossfedern". www.springmasters.com. Abgerufen 20. März 2018.
  9. ^ "Ideale Frühling und einfache harmonische Bewegung" (PDF). Abgerufen 11. Januar 2016.
  10. ^ Samuel, Andrew; Weir, John (1999). Einführung in das technische Design: Modellierung, Synthese und Problemlösungsstrategien (2 ed.). Oxford, England: Butterworth. p.134. ISBN 0-7506-4282-3.
  11. ^ Goetsch, David L. (2005). Technische Zeichnung. Cengage -Lernen. ISBN 1-4018-5760-4.
  12. ^ a b c d e f g h "13.1: Die Bewegung eines Federmassensystems". Physiklibretenexte. 17. September 2019. Abgerufen 19. April 2021.
  13. ^ "Harmonische Bewegung". labman.phys.utk.edu. Abgerufen 19. April 2021.
  14. ^ "Einfache harmonische Bewegung | Formel, Beispiele und Fakten". Enzyklopädie Britannica. Abgerufen 19. April 2021.
  15. ^ "Kompressionsfedern". Spulenfedern direkt.

Weitere Lektüre

  • Sclater, Neil. (2011). "Feder- und Schraubengeräte und Mechanismen." Mechanismen und mechanische Geräte Quellbuch. 5. ed. New York: McGraw Hill. S. 279–299. ISBN9780071704427. Zeichnungen und Designs verschiedener Feder- und Schraubmechanismen.
  • Parmley, Robert. (2000). "Abschnitt 16: Quellen." Illustriertes Quellbuch mit mechanischen Komponenten. New York: McGraw Hill. ISBN0070486174 Zeichnungen, Designs und Diskussionen verschiedener Federn und Federmechanismen.
  • Warden, Tim. (2021). "Bundy 2 Altsaxophon." Dieses Saxophon ist dafür bekannt, dass die stärksten Spannungsprings existieren.

Externe Links