春季(设备)

螺旋线圈弹簧专为张力而设计
一个用于压缩和张力的重型线圈弹簧
英语长弓- 一个简单但非常强大的春天,紫杉是长2 m(6英尺7英寸)的长,具有470 N(105 lbf)的拉动重量,每个肢体在功能上都是悬臂弹簧。
力(f)与扩展。春季特征:(1)渐进式,(2)线性,(3)抽气,(4)几乎恒定,(5)用膝盖进行渐进
一个加工的弹簧将几个功能纳入一块酒吧库存中
苏联(通常连接到Tripwire )的军事笨蛋陷阱射击装置显示弹簧射击销

弹簧是一种由弹性但刚性刚性材料(通常是金属)弯曲或成型形式(尤其是线圈)组成的设备,该形式可以在压缩或扩展后恢复形状。压缩时弹簧可以存储能量。在日常使用中,该术语通常是指线圈弹簧,但是有许多不同的弹簧设计。现代弹簧通常是由弹簧钢制成的。非金属弹簧的一个例子是,传统上是柔性杉木的,当绘制时,它将能量存储以推动箭头

当传统的弹簧(没有刚度变异性特征)从其静止位置压缩或伸展时,它会施加与长度变化成正比的相对(此近似值分解以使较大的偏转)。弹簧的速率弹簧常数是其施加的力的变化,除以弹簧偏转的变化。也就是说,它是力与挠度曲线梯度延伸压缩弹簧的速率以距离除以距离的力单位表示,例如N/M或LBF/IN。扭转弹簧是一个通过扭曲而起作用的弹簧。当它绕其轴扭曲时,它会产生与角度成比例的扭矩。扭转弹簧的速率为扭矩单位除以角度,例如n·m / radft·lbf /度。弹簧速率的倒数是合规性,也就是说:如果弹簧的速率为10 n/mm,则其合规性为0.1 mm/n。并行的弹簧的刚度(或速率)是加性的,串联弹簧的依从性也是如此。

弹簧由多种弹性材料制成,最常见的是弹簧钢。小弹簧可以从预先固定的库存中缠绕,而较大的弹簧是由退火钢制成的,并在制造后变硬。还使用了一些有色金属,包括需要耐腐蚀性的零件的磷青铜,以及携带电流的弹簧的低阻力铍铜

历史

整个人类历史上都使用了简单的非丝状弹簧,例如(和箭头)。在青铜时代,使用了更复杂的弹簧设备,如许多文化中的镊子的传播所示。亚历山大的Ctesibius开发了一种使弹簧从铜合金中制成的方法,其比例增加了锡的比例,并在施放后用锤击来硬化。

卷曲的弹簧出现在15世纪初,在门锁上。第一个春季动力锁定于那个世纪,并在16世纪发展成为第一台大型手表。

1676年,英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)假定了胡克定律,该法律指出,弹簧施加的力量与其扩展成正比。

类型

闹钟中的螺旋扭转弹簧或发质
电池触点通常具有可变的弹簧
弹簧。在压缩下,线圈彼此滑动,因此可以提供更长的旅行。
斯图尔特坦克的垂直摩尔弹簧
选择各种弧形弹簧和电弧弹簧系统(由内部和外弧弹簧组成)。
折叠线混响装置中的张力弹簧。
在负载下扭曲的扭转杆
在卡车上

分类

可以根据如何将载荷力施加到它们的方式来分类:

张力/延伸弹簧
弹簧的设计目的是以张力负载进行操作,因此弹簧伸展时,将负载施加到其上。
压缩弹簧
旨在以压缩负载进行操作,因此弹簧会在载荷上施加到其上时变短。
扭转春天
与上述载荷是轴向力的类型不同,施加到扭转弹簧的载荷是扭矩或扭曲力,并且弹簧的末端在施加载荷时旋转角度。
恒定弹簧
在整个挠度周期中,支撑的负载保持不变
可变弹簧
线圈对负载的电阻在压缩过程中有所不同
可变的刚度弹簧
线圈对负载的电阻可以动态变化,例如,控制系统的某些类型的弹簧也会改变其长度,从而提供驱动能力

它们也可以根据其形状进行分类:

扁平弹簧
由平坦的弹簧钢制成。
加工的弹簧
通过加工栏库存制造,并使用车床和/或铣削操作而不是盘绕操作。由于它是加工的,因此除了弹性元件之外,弹簧还可以包含功能。可以在压缩/延伸,扭转等的典型负载案例中进行机加工弹簧。
蛇形春天
厚线的锯齿形,通常用于现代的内饰/家具。
吊带弹簧
盘绕的钢弹簧在两端连接以形成圆形。

常见类型

最常见的春季类型是:

悬臂春天
平坦的弹簧仅在悬臂上像悬臂一样固定在一端,而自由悬挂端则承受着负载。
线圈弹簧
也称为螺旋弹簧。弹簧(通过圆柱周围的电线制成)有两种类型:
  • 张力延伸弹簧的设计使负载更长。他们的转弯(循环)通常在卸载的位置触摸,并且两端都有钩,眼睛或其他附件。
  • 压缩弹簧被设计为加载时变短。他们的转弯(循环)没有在卸载位置接触,也不需要附件。
  • 空心管弹簧可以是延伸弹簧或压缩弹簧。空心管充满了油,是在管道内部改变静水压力的手段,例如膜或微型活塞等,以硬化或放松弹簧,就像花园软管内的水压一样。另外,在管道遭受扭转变形时,选择了管道的横截面的形状,该形状会改变面积:横截面区域的变化转化为管子内部体积的变化,而油在/外的弹簧中的油流则可以。由阀门控制,从而控制刚度。还有许多其他的空心管弹簧设计,它们可以以任何所需的频率来改变刚度,除了其弹簧质量外,要通过多个倍数或移动等变化。
弧春天
预弯曲或弧形的螺旋压缩弹簧,能够在轴周围传输扭矩。
弹性弹簧
形式的压缩线圈弹簧,因此在压缩下,线圈不会相互强迫,从而允许更长的行进。
平衡春季
也称为发胶。手表仪表仪中使用的微妙的螺旋弹簧以及必须将电力运送到部分旋转设备的地方,例如转向轮,而不会阻碍旋转。
叶弹簧
用于车辆悬架,电气开关弓的平弹簧。
v-spring
用于古董枪支机制,例如轮子flintlock敲击帽锁。还有在古董门闩锁机构中使用的门锁弹簧。

其他类型

其他类型包括:

贝尔维尔洗衣机
圆盘形的弹簧通常用于将张力施加到螺栓上(也是在压力激活地雷的启动机制中)
恒定弹簧
一条紧密滚动的缎带,在展开时会发挥几乎恒定的力
气泉水
一量压缩气体。
理想的春天
理想化的完美春季,没有重量,质量,阻尼损失或极限,是物理中使用的概念。理想弹簧将施加的力与其延伸或压缩完全成正比。
电源
螺旋形的弹簧用作发条机制的电源商店:手表时钟音乐盒,蜿蜒的玩具机械动力的手电筒
负弹簧
薄金属条带在横截面上略微凹。当盘绕时,它采用了平坦的横截面,但是当展开时,它返回其以前的曲线,从而在整个位移中产生恒定的力,并消除了任何重复的趋势。最常见的应用是缩回的钢制胶带规则。
渐进率线圈弹簧
一个具有可变速率的线圈弹簧,通常是通过在转弯之间的不等距离来实现的,因此随着弹簧被压缩,一个或多个线圈靠在其邻居上。
橡皮筋
张力弹簧通过拉伸材料来存储能量。
春季洗衣机
用于沿紧固件的轴施加恒定的拉伸力。
扭转春天
任何旨在扭曲而不是压缩或延伸的春季。用于扭转杆车辆悬架系统。
波浪弹簧
各种类型的弹簧通过使用波来产生弹簧效果而变得紧凑。

物理

胡克定律

理想的弹簧按照胡克定律行事,该法则指出,弹簧向后推的力与距其平衡长度的距离成正比:

在哪里

x是位移矢量 - 弹簧从其平衡长度变形的距离和方向。
f是最终的力矢量 - 弹簧施加的恢复力的大小和方向
K是弹簧的速率弹簧常数力常数,该常数取决于弹簧的材料和构造。负符号表明弹簧施加的力与其位移相反

大多数真正的弹簧大约遵循胡克定律,如果不伸展或压缩超出其弹性极限

线圈弹簧和其他普通弹簧通常遵守胡克定律。有有用的弹簧没有:基于光束弯曲的弹簧可以例如产生随着位移非线性变化的力。

如果用恒定螺距(电线厚度)制成,则圆锥形弹簧的速率可变。但是,可以通过以可变的音高创建弹簧来使圆锥形弹簧具有恒定的速率。较大直径线圈的较大音高和较小的直径线圈中的较小音高会迫使弹簧倒塌或在变形时以相同的速率延伸所有线圈。

简单的谐波运动

由于力等于质量, m ,时间加速度, a ,春季服从胡克定律的力方程如下:

位移x作为时间的函数。在峰之间传递的时间称为时期

与附着的质量的质量相比,弹簧的质量很小,被忽略。由于加速度仅是X相对于时间的第二个导数,因此

这是位移的二阶线性微分方程作为时间的函数。重新安排:

解决方案是正弦余弦的总和:

是通过考虑质量的初始位移和速度可以找到的任意常数。此功能的图与 (零初始位置具有某些正初始速度)显示在右图的图像中。

能量动力学

在弹簧质量系统的简单谐波运动中,能量将在动能势能之间波动,但是系统的总能量保持不变。服从春季常数K春季将具有:

在这里,A是弹簧的振荡行为产生的波状运动的幅度

可以通过弹簧常数k及其位移x确定这种系统的势能u

可以使用附着的对象M质量和对象振荡V

由于这种系统中没有能源损失,因此能量始终是保存的,因此:

频率和时期

使用弹簧常数k和振荡对象m的质量发现,以简单的谐波运动以简单的谐波运动的角频率ω(以弧度为单位给出)。

周期t ,弹簧质量系统完成一个完整周期的时间,这种谐波运动由以下方式给出:

频率F (每单位时间振荡的数量)通过取下时期的倒数来找到简单的谐波运动中的事物:

理论

经典物理学中,可以通过应压弹性材料的原子之间的键来将弹簧视为存储势能,特别是弹性势能的装置。

胡克的弹性定律指出,弹性杆的延伸(其延伸长度减去其松弛的长度)与其张力成正比,这种力是用来伸展它的力。同样,收缩(负延伸)与压缩(负张力)成正比。

实际上,该法律仅限于大约存在,并且仅当与杆的总长度相比,变形(扩展或收缩)很小。对于超出弹性极限的变形,原子键被破坏或重新排列,弹簧可能会折断,扣或永久变形。许多材料没有明确定义的弹性极限,而胡克定律不能有意义地应用于这些材料上。此外,对于超弹性材料,力与位移之间的线性关系仅在低压区域。

胡克定律是数学上的结果,即杆的势能在其长度放松时是最小的。一个变量的任何平滑函数近似于二次函数,当检查到足够接近其最小点时,可以通过检查泰勒级数可以看出。因此,力 - 相对于位移的能量的导数 - 近似于线性函数

完全压缩弹簧的力

在哪里

E -扬的模量
D - 弹簧线直径
L - 春天的自由长度
N - 活动绕组的数量
-泊松比
D - 弹簧外径

零长度弹簧

使用零长度的弹簧简化了Lacoste悬架
弹簧长度L vs Force F图,具有相同最小长度L 0和弹簧常数的普通(+),零长度(0)和负长度( - )弹簧

“零长度弹簧”是一个特殊设计的线圈弹簧的术语,如果其长度为零,它将发挥零力。如果由于这种螺旋弹簧的有限线直径而没有约束,则在未拉伸条件下的长度将为零。也就是说,在弹簧力与其长度的线图中,线路通过原点。显然,线圈弹簧无法收缩到零长度,因为在某个时候,线圈相互接触,弹簧不再缩短。

零长度的弹簧是通过制造带有内置张力的线圈弹簧(在制造过程中盘绕时引入电线中的扭曲;这起作用的是因为延伸时盘绕的弹簧“放松”),因此,如果它可以进一步收缩,弹簧的平衡点,其恢复力为零的点发生在零。在实践中,零长度弹簧是通过结合“负长度”弹簧来制成的,它具有更大的张力,因此其平衡点的长度将为“负”长度,并具有适当长度的无弹性材料将以零长度发生。

零长度的弹簧可以连接到铰链臂上的质量上,以使质量上的力几乎与弹簧的力的垂直成分完全平衡,无论繁荣的位置如何。这会产生一个水平的“摆”,并具有很长的振荡。长周期的摆动使地震仪能够感知地震中最慢的波浪。由于重力变化非常敏感,因此在重量表中也使用了零长度弹簧的Lacoste悬浮液。闭门的弹簧通常被迫大约零长度,因此即使门几乎关闭,它们也会发挥力,因此它们可以牢固地将其固定。

用途

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