Le molle di compressione immagazzinano energia meccanica quando vengono compresse e rilasciano energia meccanica quando il carico viene rimosso. Sebbene le molle a compressione siano generalmente realizzate in acciaio per molle, possono contenere anche carbonio, magnesio, nichel, cromo, stagno, rame, tungsteno e alluminio.
Materiali diversi creano diversi gradi di elasticità e capacità di accumulo di energia per le molle a compressione.
Robert Hooke propose già nel 1676 una formula per calcolare la forza esercitata da una molla, che è proporzionale al suo allungamento.
Le molle di compressione sono dispositivi meccanici appositamente progettati per rilevare carichi di compressione assiali. Di solito possono anche allungarsi e ruotare fino a un punto. In generale, le molle a compressione possono immagazzinare energia meccanica quando sottoposte a carichi di compressione. Una volta rimosso il carico, ritorneranno alla forma e alle dimensioni originali, subendo una deformazione elastica.
Questa capacità unica di immagazzinare energia potenziale, combinata con la sua relativa semplicità e convenienza, rende le molle a compressione preziose in un'ampia gamma di applicazioni. Dai pulsanti delle tastiere meccaniche, ai materassi e alle penne a sfera, alle armi da fuoco e agli ammortizzatori delle sospensioni delle auto. Dal XV secolo utilizziamo molle di compressione e la prima molla di compressione fu utilizzata nei dispositivi degli orologi.
Tipi di molle di compressione
Le molle a compressione possono avere molte forme geometriche diverse. Le più comuni sono le molle a spirale o a spirale. Questa forma è più popolare di altre forme perché consente un'elevata compressione ed espansione senza soluzione di continuità fino a un certo punto. È anche più leggero perché utilizza meno materiali per soddisfare la necessità di assorbire i carichi di compressione. Infine, la forma della molla elicoidale conferisce a questo tipo una costante elastica relativamente grande (che verrà spiegata in dettaglio più avanti).
Questa categoria è ulteriormente suddivisa in sottocategorie, tra cui:
Materiale della molla di compressione
Le molle a compressione sono generalmente realizzate in acciaio per molle, che è un tipo di acciaio con elevato limite di snervamento. Ciò consente loro di mantenere la loro forma, dimensione e forma originali anche se deformati all'estremo. Pertanto, questi acciai presentano un ampio spazio di deformazione elastica sotto sforzo. Ciò avviene a livello molecolare, quindi la composizione di questi acciai ha un impatto significativo sulla loro elasticità.
In generale, l'acciaio per molle contiene carbonio e manganese, oltre a nichel, cromo, molibdeno, stagno, vanadio, rame, ferro, tungsteno e alluminio. L'acciaio per molle è classificato dall'ASTM ufficiale in base alla sua resistenza allo snervamento e durezza, quindi diverse composizioni di materiali possono essere adatte a diverse applicazioni. Ad esempio, ASTM A228 viene utilizzato per le corde del pianoforte, contenenti 0,7% -1% carbonio e 0,2% -0,6% manganese, con una resa massima resistenza di 530 megapascal e resistenza alla trazione di 400 megapascal.
Caratteristiche delle molle a compressione
In questa sezione mi concentrerò sull'introduzione delle molle elicoidali non a spirale, poiché queste molle sono le molle di compressione più utilizzate. Queste molle hanno alcune caratteristiche che hanno un grande significato per le loro prestazioni. Il diametro esterno (D) si riferisce al diametro del cilindro formato dalla molla vista dall'alto. Il diametro della bobina si riferisce allo spessore (d) del filo della molla, anch'esso cilindrico. La lunghezza libera (L) si riferisce alla lunghezza totale della molla senza alcuna compressione, mentre l'elica effettiva (na) e l'elica totale (n) sono il numero di spire che immagazzinano e rilasciano energia meccanica e il numero di spire del bus ( almeno due sono dedicati all'estremità/base della molla). Un altro attributo morfologico importante è il senso di rotazione, che può essere destro o sinistro.
La forza esercitata da una molla è proporzionale al suo allungamento, legge proposta da Robert Hooke nel 1676, entro pochi anni dall'applicazione della prima molla. Hooke ha introdotto questa formula al mondo. "F=- kx", dove F è la forza della molla, x è la distanza di allungamento e k è la costante della molla. Ogni molla è diversa e determinata dal produttore attraverso esperimenti o dall'utente attraverso formule. K=Gd4/[83dna]. Come accennato in precedenza, le bobine a barilotto e coniche sono molle non lineari, quindi la legge di Hooke non si applica ad esse. La legge di Hooke non si applica alle molle che hanno già deformato o superato il limite elastico generale.
La forza di una molla completamente compressa
Per calcolare la forza della molla completamente compressa, possiamo usare questa formula. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E è il modulo di Young, d è il diametro del filo di acciaio, L è la lunghezza libera e n è il numero di eliche/bobine effettive, ν è il rapporto di Poisson e D è il diametro esterno. È ovvio che alcuni di essi sono determinati dall'acciaio scelto dal progettista, mentre altri sono determinati dalla forma, dalla forma e dalla dimensione della molla.
Considerazioni sul design
Quando si progetta una molla di compressione, la prima cosa da decidere è quale materiale si desidera utilizzare. Quindi trovare il modulo di taglio (G) e la resistenza alla trazione (TS) dalla tabella dati. Questi due fattori sono cruciali per determinare la percentuale di sollecitazione, ad esempio, quando si calcolano i requisiti di carico (100* σ/ Calcolare il grado di compressione della molla quando viene indotto un determinato carico, in base alla resistenza alla trazione.
Un'altra considerazione importante è il diametro della molla quando compressa al suo punto massimo. Le molle di compressione a spirale tendono ad aumentare di diametro durante la compressione. Quindi è importante calcolare questa espansione utilizzando la formula "espansione={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
L'indice della molla è importante e i progettisti tentano di mantenerlo entro un intervallo compreso tra 4 e 10. Il suo metodo di calcolo è "C=(Dd/d)", che fornisce un buon concetto del rapporto tra il filo spessore rispetto al diametro della molla. Ciò determinerà la forza complessiva della molla (più piccola è più forte, ma più grande è più facile da comprimere).
