Arcurile de compresie stochează energie mecanică atunci când sunt comprimate și eliberează energie mecanică atunci când sarcina este îndepărtată. Deși arcurile de compresie sunt în general fabricate din oțel pentru arc, ele pot conține și carbon, magneziu, nichel, crom, staniu, cupru, wolfram și aluminiu.
Materiale diferite creează grade diferite de elasticitate și capacitate de stocare a energiei pentru arcurile de compresie.
Robert Hooke a propus încă din 1676 o formulă pentru a calcula forța exercitată de un arc, care este proporțională cu alungirea acestuia.
Arcurile de compresie sunt dispozitive mecanice special concepute pentru a detecta sarcinile de compresiune axiale. De obicei, se pot întinde și se rotesc până la un punct. În general, arcurile de compresie pot stoca energie mecanică atunci când sunt supuse la sarcini de compresiune. Odată ce sarcina este îndepărtată, acestea vor reveni la forma și dimensiunea inițială - suferind o deformare elastică.
Această capacitate unică de a stoca energia potențială, combinată cu simplitatea și accesibilitatea sa relativă, face ca arcurile de compresie să fie valoroase într-o gamă largă de aplicații. De la butoane mecanice de la tastatură, saltele și pixuri, până la arme de foc și amortizoare pentru suspensie auto. Din secolul al XV-lea, folosim arcuri de compresie, iar primul arc de compresie a fost folosit la dispozitivele de ceas.
Tipuri de arcuri de compresie
Arcurile de compresie pot avea multe forme geometrice diferite. Cele mai comune sunt spirale sau arcuri spiralate. Această formă este mai populară decât alte forme, deoarece permite o compresie ridicată fără sudură și o expansiune până la un punct. De asemenea, este mai ușor deoarece utilizează mai puține materiale pentru a satisface nevoia de absorbție a sarcinilor de compresiune. În cele din urmă, forma arcului elicoidal conferă acestui tip o constantă a arcului relativ mare (care va fi explicată în detaliu mai târziu).
Această categorie este împărțită în continuare în subcategorii, inclusiv:
Material arc de compresie
Arcurile de compresie sunt de obicei fabricate din oțel pentru arcuri, care este un tip de oțel cu rezistență ridicată la curgere. Acest lucru le permite să-și mențină forma, dimensiunea și forma originale chiar și atunci când sunt deformate la extrem. Prin urmare, aceste oțeluri au un spațiu mare de deformare elastică sub stres. Acest lucru se întâmplă la nivel molecular, astfel încât compoziția acestor oțeluri are un impact semnificativ asupra elasticității lor.
În general, oțelul pentru arc conține carbon și mangan, precum și nichel, crom, molibden, staniu, vanadiu, cupru, fier, wolfram și aluminiu. Oțelul pentru arc este clasificat de ASTM oficial pe baza limitei de curgere și a durității sale, astfel încât diferite compoziții de materiale pot fi potrivite pentru diferite aplicații. De exemplu, ASTM A228 este folosit pentru coarde de pian, conținând 0,7% -1% carbon și 0,2% -0,6% mangan, cu un randament maxim rezistență de 530 megapascali și o rezistență la tracțiune de 400 megapascali.
Caracteristicile arcurilor de compresie
În această secțiune, mă voi concentra pe introducerea arcurilor elicoidale desfășurate, deoarece aceste arcuri sunt cele mai utilizate arcuri de compresie. Aceste arcuri au anumite caracteristici care au o mare semnificație pentru performanța lor. Diametrul exterior (D) se referă la diametrul cilindrului format de arc când este privit de sus. Diametrul bobinei se referă la grosimea (d) a firului arcului, care este, de asemenea, cilindric. Lungimea liberă (L) se referă la lungimea totală a arcului fără nicio compresie, în timp ce spirala efectivă (na) și spirala totală (n) sunt numărul de bobine care stochează și eliberează energie mecanică și numărul de bobine de magistrală ( cel putin doua sunt dedicate capatului/bazei arcului). Un alt atribut morfologic important este direcția de rotație, care poate fi la stânga sau la dreapta.
Forța exercitată de un arc este proporțională cu alungirea acestuia, lege propusă de Robert Hooke în 1676, în câțiva ani scurti de la aplicarea primului arc. Hooke a introdus această formulă în lume. „F=- kx”, unde F este forța arcului, x este distanța de întindere și k este constanta arcului. Fiecare primăvară este diferită și determinată de producător prin experimente sau de utilizator prin formule. K=Gd4/[83dna]. După cum am menționat mai devreme, bobinele cilindrice și conice sunt arcuri neliniare, așa că legea lui Hooke nu se aplică acestora. Legea lui Hooke nu se aplică arcurilor care s-au deformat deja sau au depășit limita elastică generală.
Forța unui arc complet comprimat
Pentru a calcula forța arcului complet comprimat, putem folosi această formulă. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E este modulul lui Young, d este diametrul sârmei de oțel, L este lungimea liberă și n este numărul de elice/bobine efective, ν este raportul lui Poisson și D este diametrul exterior. Este evident că unele dintre ele sunt determinate de oțelul ales de proiectant, în timp ce altele sunt determinate de forma, forma și dimensiunea arcului.
Considerații de proiectare
Când proiectați un arc de compresie, primul lucru pe care trebuie să vă decideți este ce material doriți să utilizați. Apoi găsiți modulul de forfecare (G) și rezistența la tracțiune (TS) din tabelul de date. Acești doi factori sunt cruciali pentru determinarea procentului de solicitare, de exemplu, atunci când se calculează cerințele de sarcină (100* σ/ Calculați gradul în care arcul este comprimat atunci când este indusă o anumită sarcină, pe baza rezistenței la tracțiune.
Un alt aspect important este diametrul arcului atunci când este comprimat până la punctul maxim. Arcurile de compresie spiralate tind să crească în diametru în timpul compresiei. Deci este important să se calculeze această expansiune folosind formula „expansiune={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Indicele arcului este important, iar proiectanții încearcă să-l mențină în intervalul de la 4 la 10. Metoda sa de calcul este „C=(Dd/d)”, care oferă un concept bun despre raportul firului. grosime până la diametrul arcului. Acest lucru va determina rezistența generală a arcului (mai mic este mai puternic, dar mai mare este mai ușor de comprimat).
