קפיצי דחיסה אוגרים אנרגיה מכנית כאשר הם דחוסים ומשחררים אנרגיה מכנית כאשר העומס מוסר. למרות שקפיצי דחיסה עשויים בדרך כלל מפלדה קפיצית, הם עשויים להכיל גם פחמן, מגנזיום, ניקל, כרום, פח, נחושת, טונגסטן ואלומיניום.
חומרים שונים יוצרים דרגות שונות של גמישות ויכולת אחסון אנרגיה עבור קפיצי דחיסה.
רוברט הוק הציע נוסחה כבר ב-1676 לחישוב הכוח שמפעיל קפיץ, שהוא פרופורציונלי להתארכותו.
קפיצי דחיסה הם מכשירים מכניים שתוכננו במיוחד לחוש עומסי דחיסה צירים. בדרך כלל הם יכולים גם למתוח ולהסתובב לנקודה מסוימת. באופן כללי, קפיצי דחיסה יכולים לאגור אנרגיה מכנית כשהם נתונים לעומסי דחיסה. לאחר הסרת העומס הם יחזרו לצורתם ולגודלם המקוריים - עוברים דפורמציה אלסטית.
היכולת הייחודית הזו לאגור אנרגיה פוטנציאלית, בשילוב עם הפשטות והמחיר היחסי שלה, הופכת את קפיצי הדחיסה לבעלי ערך במגוון רחב של יישומים. מכפתורי מקלדת מכאניים, מזרנים ועטים כדוריים, וכלה בכלי ירייה ובולמי זעזועים מתלים לרכב. מאז המאה ה-15, אנו משתמשים בקפיצי דחיסה, וקפיץ הדחיסה הראשון שימש במכשירי שעון.
סוגי קפיצי דחיסה
קפיצי דחיסה יכולים להיות בעלי צורות גיאומטריות רבות ושונות. הנפוצים שבהם הם סלילים או קפיצי ספירלה. צורה זו פופולרית יותר מצורות אחרות מכיוון שהיא מאפשרת דחיסה והתרחבות גבוהה ללא תפרים לנקודה מסוימת. הוא גם קל יותר מכיוון שהוא משתמש בפחות חומרים כדי לענות על הצורך בספיגת עומסי דחיסה. לבסוף, צורת קפיץ הסליל מעניקה לסוג זה קבוע קפיץ גדול יחסית (שיוסבר בהרחבה בהמשך).
קטגוריה זו מחולקת עוד לתת-קטגוריות, כולל:
חומר של קפיץ דחיסה
קפיצי דחיסה עשויים לרוב מפלדת קפיצים, שהיא סוג של פלדה בעלת חוזק תנובה גבוה. זה מאפשר להם לשמור על צורתם, גודלם וצורתם המקוריים גם כשהם מעוותים בצורה קיצונית. לכן, לפלדות אלה יש חלל דפורמציה אלסטי גדול תחת לחץ. זה קורה ברמה המולקולרית, ולכן להרכב הפלדות הללו יש השפעה משמעותית על האלסטיות שלהן.
באופן כללי, פלדה קפיצית מכילה פחמן ומנגן, כמו גם ניקל, כרום, מוליבדן, בדיל, ונדיום, נחושת, ברזל, טונגסטן ואלומיניום. פלדת קפיצים מסווגת על ידי ASTM הרשמי בהתבסס על חוזק התפוקה והקשיות שלה, כך שהרכבי חומרים שונים יכולים להתאים ליישומים שונים. לדוגמה, ASTM A228 משמש למיתרי פסנתר, המכילים 0.7% -1% פחמן ו-0.2% -0.6% מנגן, עם תפוקה מקסימלית חוזק של 530 מגה פסקל וחוזק מתיחה של 400 מגה פסקל.
מאפיינים של קפיצי דחיסה
בחלק זה, אתמקד בהצגת קפיצי סליל לא מפותלים, שכן קפיצים אלו הם קפיצי הדחיסה הנפוצים ביותר. לקפיצים אלו מאפיינים מסוימים בעלי משמעות רבה לביצועיהם. הקוטר החיצוני (D) מתייחס לקוטר הגליל שנוצר על ידי הקפיץ במבט מלמעלה. קוטר הסליל מתייחס לעובי (d) של חוט הקפיץ, שגם הוא גלילי. האורך החופשי (L) מתייחס לאורכו הכולל של הקפיץ ללא כל דחיסה, בעוד שהסליל האפקטיבי (na) והסליל הכולל (n) הם מספר הסלילים האוגרים ומשחררים אנרגיה מכנית, ומספר סלילי האוטובוס ( לפחות שניים מוקדשים לקצה/בסיס הקפיץ). תכונה מורפולוגית חשובה נוספת היא כיוון הסיבוב, שיכול להיות שמאלה או ימינה.
הכוח שמפעיל קפיץ הוא פרופורציונלי להתארכותו, חוק שהוצע על ידי רוברט הוק ב-1676, תוך שנים ספורות ממועד היישום של הקפיץ הראשון. הוק הציג את הנוסחה הזו לעולם. "F=- kx", כאשר F הוא כוח הקפיץ, x הוא מרחק המתיחה, ו-k הוא קבוע הקפיץ. כל קפיץ שונה ונקבע על ידי היצרן באמצעות ניסויים או על ידי המשתמש באמצעות נוסחאות. K=Gd4/[83dna]. כפי שהוזכר קודם לכן, סלילים קנה וחרוטי הם קפיצים לא ליניאריים, ולכן חוק הוק אינו חל עליהם. חוק הוק אינו חל על קפיצים שכבר התעוותו או עברו את הגבול האלסטי הכללי.
כוחו של קפיץ דחוס לחלוטין
כדי לחשב את כוחו של הקפיץ הדחוס במלואו, נוכל להשתמש בנוסחה זו. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E הוא מודול ה-Young, d הוא הקוטר של חוט הפלדה, L הוא האורך החופשי, ו-n הוא מספר הסלילים/סלילים היעילים, ν זה היחס של Poisson, ו-D הוא הקוטר החיצוני. ברור שחלקם נקבעים לפי הפלדה שבחר המעצב, בעוד שאחרים נקבעים לפי הצורה, הצורה והגודל של הקפיץ.
שיקולי עיצוב
כאשר מעצבים קפיץ דחיסה, הדבר הראשון שצריך להחליט הוא באיזה חומר אתה רוצה להשתמש. לאחר מכן מצא את מודול הגזירה (G) וחוזק המתיחה (TS) מטבלת הנתונים. שני גורמים אלו חיוניים לקביעת אחוז המתח, למשל, בעת חישוב דרישות העומס (100* σ/ חשב את מידת הדחיסה של הקפיץ כאשר מושרה עומס מסוים, בהתבסס על חוזק המתיחה.
שיקול חשוב נוסף הוא קוטר הקפיץ כשהוא דחוס לנקודה המקסימלית שלו. קפיצי דחיסה ספירליים נוטים לעלות בקוטר במהלך הדחיסה. לכן חשוב לחשב הרחבה זו באמצעות הנוסחה "הרחבה={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
האינדקס של הקפיץ חשוב, והמעצבים מנסים לשמור אותו בטווח של 4 עד 10. שיטת החישוב שלו היא "C=(Dd/d)", המספקת מושג טוב של היחס בין חוט עובי לקוטר קפיץ. זה יקבע את החוזק הכולל של הקפיץ (קטן יותר חזק יותר, אבל גדול יותר קל יותר לדחוס).
