Schraubenfedern

Schraubenfedern sind die häufigste Anwendung von Federn im Motorsport. Aus Gründen warum und einige weitere Informationen zu Schraubenfedern lesen Sie bitte unseren Artikel „Schraubenfedern“.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Federrate zu berechnen. Zum einen durch Berechnungen, die auf dem Betrachten und Messen der Feder basieren. Der andere ist durch praktische Messung. Die praktische Messung ist die genaueste Form, wenn sie mit der richtigen Ausrüstung durchgeführt wird. Beide Wege sind unten gezeigt.

Der Berechnungsweg

Das folgende Diagramm zeigt eine Schraubenfeder zusammen mit den folgenden wichtigen Parametern, die zur Berechnung der Federrate erforderlich sind.

Die wichtigsten Parameter sind:

• L = Freie Länge der unbelasteten Feder (m)
• G = Schubsteifigkeitsmodul des Materials
• d = Drahtdurchmesser (m)
• D = Mittlerer Durchmesser (m)
• N = Anzahl der aktiven Spulen (eine aktive Spule fegt einen vollen Kreis)

Wobei:

• Freie Länge ist der Abstand von der Oberseite der Feder zur unterseite der Feder, wenn keine Last darauf ist.
• Der Schubsteifigkeitsmodul basiert auf der Art des Materials, aus dem die Feder besteht. Der Wert kann der Tabelle unten entnommen werden. Alles, was Sie herausfinden müssen, ist, aus welchem Material Ihre Feder besteht. Wenn Sie sich nicht sicher sind, wird das am häufigsten verwendete Material in der Tabelle fett hervorgehoben.

Material	Shear Modulus of Rigidity (G)
ANSI 1095 Spring Steel	79,300,000,000 Pa
Cold Rolled Steel	75,000,000,000 Pa
Stainless Steel	77,200,000,000 Pa

• Wire diameter is die Dicke des Spiralmetalls, die am genauesten mit Messschiebern gemessen wird
• Der mittlere Durchmesser ist im Diagramm dargestellt und ist der Abstand zwischen den Zentren der Spiralfeder. Der einfachste Weg, diese Zahl zu erreichen, ist mit der folgenden Gleichung
  • Mittlerer Durchmesser = Gesamtfederdurchmesser – Drahtdurchmesser
• Die Anzahl der aktiven Spulen ist in der Branche immer noch unsicher, wie eine genaue Zahl für einen Federtyp angewendet werden soll. Das folgende Diagramm zeigt 4 gängige Stile, die eine Schraubenfeder an ihren Enden hat.

• • Geschlossenen Enden
  • Geschlossen und Boden Enden
  • Plain Enden Boden
  • Plain Enden

Die industrie standard zu jetzt ist, dass eine feder mit geschlossenen enden oder geschlossene und Masseenden hat eine inaktive Spule an jedem Ende, was bedeutet, dass zwei Spulen aus der Gesamtmenge der Spulen für den Parameter „Anzahl der aktiven Spulen“ entnommen werden müssen.

Federn mit glatten Enden haben jedoch keine inaktiven Spulen, so dass jede einzelne Spule auf den Parameter „Anzahl der aktiven Spulen“ angerechnet wird.

Schließlich wird angenommen, dass Federn mit glatten Enden an jedem Ende eine halbe inaktive Spule haben, was bedeutet, dass insgesamt 1 Spule für den Parameter „Anzahl der aktiven Spulen“ entfernt wird.

Es ist sehr wichtig zu verstehen, wie Ihre Federn fertig sind, da der Parameter Anzahl der aktiven Spulen einen großen Einfluss auf die berechnete Federrate haben kann.

Die Gleichung

Wenn Ihre Messungen abgeschlossen sind, ist es an der Zeit, die Steifigkeit Ihrer Schraubenfeder mit der unten gezeigten Gleichung zu berechnen.

Daher:

Also mit den Beispielfiguren von:

• G = 79,3 GPa
• d = 10,3 mm
• N = 6
• D = 68,5 mm

Die praktische Methode

Wenn Sie Zugang zu Belastungsprüfgeräten haben, ist die praktische Methode die genaueste Option zur Berechnung Ihrer Federrate. Eine Maschine wie eine unten gezeigte Tinnius-Olsen ist das ideale Gerät für diesen Test. Wenn Sie Zugang zu einem oder Ähnlichem haben, setzen Sie Ihre Feder in die Maschine ein und drücken Sie sie um 10 mm zusammen. Notieren Sie die Kraft, die erforderlich ist, um es an diesem Punkt zu komprimieren. Drücken Sie dann die Feder in Stufen von 10 mm zusammen und notieren Sie die an jedem Punkt erforderliche Kraft. Wenn die Feder gegen Ende des Tests überbeansprucht wird, drücken Sie sie nicht weiter zusammen, da dies die Feder beschädigen könnte.

Wenn alle Ihre Ergebnisse in einem ähnlichen Format wie im folgenden Beispiel vorliegen, konvertieren Sie alle Ihre Millimeterwerte in Meter. Teilen Sie dann die erforderliche Kraft durch die jeweils bewegte Strecke. Wenn alle Antworten auf diese ähnlich aussehen, dann haben Sie eine konstante Rate Feder. Sie können jetzt alle Antworten addieren und durch die Anzahl der Ergebnisse dividieren, um den durchschnittlichen Messwert zu erhalten, der Ihre Federrate ist.

Wenn die Antworten um einen merklichen Betrag kleiner oder größer werden, haben Sie eine progressive Rate spring. Wenn dies bei Ihnen der Fall ist, ist es am besten, ein Diagramm Ihrer Ergebnisse n Excel Tracing Federrate gegen mm Kompression zu zeichnen. Dies sind sehr wichtige Informationen, die Sie beim Anlegen einer Vorspannung an Ihre Feder kennen sollten. Auch wenn Sie wissen, wie viel Ihr Auto senkt, wenn es auf seinen Rädern saß, dann können Sie die statische Federrate Ihrer Federn auf Fahrhöhe für zukünftige Referenz berechnen.

Blattfedern

Die Berechnung der Federrate für eine Blattfeder ist viel komplexer als für eine Schraubenfeder. Dies ist auf die Anzahl der Variablen zurückzuführen, die für Blattfedern gelten können, z. Blattdicke, Breite und Verjüngung, Variationen der Endbeschränkung oder die Last, die außermittig aufgebracht wird usw. Daher ist die genaueste Methode zur Messung der Blattfedersteifigkeit praktisch. Für eine genaue Antwort können Sie jedoch auch die Berechnungsroute verwenden, bei der einige Annäherungen vorgenommen werden müssen.

Die Berechnungsroute

Es gibt zwei Haupttypen von Blattfedern in Automobilanwendungen. Sie sind „Single leaf parabolic“ und „laminated leaf spring“. Letzteres ist in modernen Anwendungen häufiger. Die folgenden Bilder zeigen die verschiedenen Typen.

Einflügelig Parabolisch

Laminierte Blattfeder

Für Blattfedern gelten zwei Gleichungen. Eine ist die Biegespannungsformel, um sicherzustellen, dass die maximale Belastung das Material nicht überbeansprucht. Die andere ist die Federsteifigkeit. Dies ist die Zahl, die für weitere Berechnungen wichtig ist. Die Gleichungen für eine einflügelige Parabelfeder sind:

Und:

Wobei:

• L = Halbe Gesamtlänge der längsten Blattfeder (m)
• F = An jedem Befestigungspunkt auf das Chassis ausgeübte Kraft (normalerweise die Hälfte der am Achspunkt ausgeübten Last) (m)
• b = Blattfederbreite am Mittelpunkt (m)
• t = Vertikale Tiefe der Blattfeder am Mittelpunkt, an dem sie an der Achse befestigt ist (m)
• E = Youngs-Modul für das Material (Pa) (siehe Tabelle unten )
• X = Federweg vertikal (m)

Die Gleichungen für eine laminierte Blattfeder variieren geringfügig und lauten:

Und:

Wo:

• L = Halbe Gesamtlänge der längsten Blattfeder (m)
• F = An jedem Befestigungspunkt auf das Fahrgestell ausgeübte Kraft (in der Regel die Hälfte der am Achsenpunkt ausgeübten Last) (m)
• b = Blattfederbreite am Mittelpunkt (m)
• n = Anzahl der gestapelten Blätter
• n‘ = Anzahl der Blätter direkt an den Federenden
• t = Vertikale Tiefe der Blattfeder am Mittelpunkt, an dem die Blattfeder es wird an der Achse montiert (m)
• E = Youngs-Modul für das Material (Pa) (siehe Tabelle unten)
• X = Federweg vertikal (m)

Youngs-Modultabelle für Common Materials

Material	Youngs Modulus (E)
ANSI 1095 Spring Steel	207,000,000,000 Pa
Cold Rolled Steel	186,000,000,000 Pa
Mild Steel	210,000,000,000 Pa

The Practical Route

Der genauere Weg, um die Steifigkeit Ihrer Blattfedern zu messen, besteht darin, sie praktisch zu testen, wenn Sie über das richtige Lastanlagegerät verfügen. Um die Last zu testen, müssen Sie die Achse von der Feder trennen und von direkt unter der Feder wegbewegen. Als nächstes muss eine Last mit einem Gerät aufgebracht werden, das die Menge der aufgebrachten Last in Newton Kraft misst. Die Blattfeder muss in Schritten von 10 mm abgelenkt werden, wobei die zum Bewegen der Feder erforderliche Kraft aufgezeichnet wird. Für jeden Schritt kann die Kraft durch die Verschiebung geteilt werden, um die Federrate unter Verwendung der folgenden Gleichung zu erhalten. Wenn die Zahlen eine große Variation aufweisen und jedes Mal zunehmen, nachdem die folgende Gleichung verwendet wurde, hat die Feder eine progressive Rate und ein Diagramm sollte in Excel gezeichnet werden, um zu zeigen, welche Rate an jedem Verschiebungspunkt vorhanden ist, da dies genauer ist als die Verwendung einer Gleichung.

Wo:

• F = Angewandte Kraft (N)
• x = Verschiebungsmenge (m)

Wie man metrisch in Imperial umwandelt

Wenn Sie Ihre Federraten lieber in Pfund und Zoll haben möchten, können Sie die folgende Umrechnungsgleichung verwenden, um das Ergebnis von Newton pro Meter in Pfund pro Zoll umzuwandeln.

Ebenso, wenn Sie Pfund pro Zoll in Newton pro Meter umrechnen möchten, geben Sie den Pfund pro Zoll-Wert ein, wo es heißt Beispiel unten und ich werde die Newton pro Meter Antwort produzieren.

Hinzufügen von Federraten für mehrere Federn

Es gibt zwei Konfigurationen, in denen mehrere Federn enthalten sind. Einer ist Federn in Reihe und einer ist Federn parallel. Ein Auto kann als Federn parallel betrachtet werden, denn wenn man die Vorderachse eines Autos betrachtet, wirkt jedes Rad als seine eigene Feder auf die Vorderseite des Fahrzeugs, wodurch insgesamt zwei Federn nebeneinander arbeiten. Das macht sie parallel.

Federn in Serie

Im Folgenden werden einige Beispiele gezeigt, wann eine Feder in Serie betrachtet werden kann.

Wenn zwei oder mehr Federn übereinander gelegt werden, wird die kombinierte Federrate immer geringer als die der weichsten Feder. Dies liegt daran, dass Sie der weicheren Feder (N) effektiv noch mehr Windungen hinzugefügt haben, wodurch die Gesamtfederrate verringert wird. Die Federrate für jede einzelne Feder muss zuerst bekannt sein, bevor mit der folgenden Gleichung die Gesamtfederrate der Federn in Reihe berechnet werden kann. Wenn zwei Federn in Reihe verwendet werden, kann die folgende Gleichung verwendet werden:

Wobei:

• K total = Kombinierte Federrate
• K1 = untere Federrate
• K2 = Obere Federrate

Wenn mehr als zwei Federn in Serie sind, kann die nächste Feder für alle Federn zur Gleichung hinzugefügt werden; zum Beispiel im Fall von 4 Federn, die übereinander gestapelt sind die Gleichung wäre wie folgt:

Federn parallel

Federn parallel können auch auf verschiedene Arten erreicht werden. Die folgenden Bilder zeigen einige Beispiele, wann Federn parallel betrachtet werden können.

Federn sollen parallel sein, wenn sie sich immer eine Last teilen. Die zusammengesetzte Rate paralleler Federn ist viel einfacher zu berechnen als Federn in Reihe, da die Federraten einfach addiert werden. Die folgende Gleichung kann verwendet werden, um die effektive Gesamtfederrate der parallelen Federn zu berechnen:

Und so weiter.

Vor der Veröffentlichung von Teil 2 nächste Woche lesen Sie bitte auch „Stabilisatoren einstellen und einstellen“, um Informationen zur Berechnung der Stabilisatorfederraten zu erhalten.