spiralfjädrar

spiralfjädrar är den vanligaste tillämpningen av våren inom motorsport. Av anledning varför och lite mer information om spiralfjädrar se till att du kolla in vår artikel ”spiralfjädrar”.

det finns två huvudsakliga sätt att beräkna fjäderhastigheten. En är genom beräkningar baserade på att titta på och mäta våren. Den andra är genom praktisk mätning. Den praktiska mätningen är den mest exakta formen när den utförs med rätt utrustning. Båda sätten visas nedan.

Beräkningsvägen

diagrammet nedan visar en spiralfjäder tillsammans med följande viktiga parametrar som krävs för att beräkna fjäderhastigheten.

de viktiga parametrarna är:

• L = Fri längd på den lossade fjädern (m)
• G = Skjuvmodul för Materialstyvhet
• d = tråddiameter (m)
• d = medeldiameter (m)
• N = antal aktiva spolar (en aktiv spole sveper en hel cirkel)

där:

• fri längd är avståndet från fjäderns övre yta till den övre delen bottenytan på våren när ingen belastning är på den.
• Skjuvmodul för styvhet är baserad på den typ av material som fjädern är tillverkad av. Värdet finns i tabellen nedan. Allt du behöver ta reda på är vilket material Din vår är gjord av. Om du är osäker markeras det vanligaste materialet med fetstil i tabellen.

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 tjockleken på spolmetallen som mäts mest exakt med vernierkaliper
• medeldiameter visas i diagrammet och är avståndet mellan spiralfjäderns centrum. Det enklaste sättet att nå detta nummer är med nedanstående ekvation
  • medeldiameter = Total Fjäderdiameter-tråddiameter
• antalet aktiva spolar har fortfarande osäkerhet i branschen om hur man applicerar ett exakt nummer för en typ av fjäder. Diagrammet nedan visar 4 vanliga stilar som en spiralfjäder har i sina ändar.

• • stängda ändar
  • stängda och jordade ändar
  • vanliga ändar jord
  • vanliga ändar

branschstandarden till nu är att en fjäder med slutna ändar eller slutna och slipade ändar har en inaktiv spole i varje ände vilket innebär att två spolar måste tas bort den totala mängden spolar för parametern ”antal aktiva spolar”.

fjädrar med släta ändar anses dock inte ha några inaktiva spolar så varje spole räknas mot parametern ”antal aktiva spolar”.

slutligen anses fjädrar med släta ändar ha en halv inaktiv spole i varje ände vilket innebär att totalt 1 spole avlägsnas för parametern ”antal aktiva spolar”.

det är mycket viktigt att förstå hur dina fjädrar är färdiga eftersom antalet aktiva spolar parameter kan ha ett stort inflytande på den beräknade fjäderhastigheten.

ekvationen

med dina mätningar är det dags att beräkna styvheten hos din spiralfjäder med ekvationen som visas nedan.

därför:

så med hjälp av exempelfigurerna för:

• G = 79.3 GPa
• d = 10.3 mm
• N = 6
• d = 68.5 mm

den praktiska metoden

om du har tillgång till någon lastprovningsutrustning är den praktiska metoden det mest exakta alternativet för att beräkna din fjäderhastighet. En maskin som en Tinnius-Olsen som visas nedan är den perfekta utrustningen för detta test. Om du har tillgång till en eller något liknande, sätt sedan in din fjäder på maskinen och komprimera den med 10 mm. Spela in den kraft som krävs för att komprimera den vid denna tidpunkt. Komprimera sedan fjädern i steg om 10 mm och registrera den kraft som krävs vid varje punkt. Om fjädern börjar bli överbelastad mot slutet av testet, fortsätt inte komprimera eftersom det kan skada fjädern.

med alla dina resultat i ett liknande format som exemplet nedan, konvertera alla dina millimetervärden till meter. Dela sedan den kraft som krävs av avståndet som flyttas i varje enskilt fall. Om alla svar på detta liknar så har du en konstant hastighet våren. Du kan nu lägga till alla svar och dela det med antalet resultat för att få den genomsnittliga avläsningen som är din vårhastighet.

om svaren blir progressivt mindre eller större med en märkbar mängd har du en progressiv hastighetsfjäder. Om detta är fallet för dig skulle det vara bäst att rita en graf över dina resultat N excel spårning fjäderhastighet mot mm komprimering. Detta kommer att vara mycket viktig information att veta när du applicerar förbelastning på din vår. Om du vet hur mycket din bil sänker när den sitter på sina hjul kan du också beräkna den statiska fjäderhastigheten för dina fjädrar i körhöjd för framtida referens.

bladfjädrar

beräkning av fjäderhastigheten för en bladfjäder är mycket mer komplex än för en spiralfjäder. Detta beror på antalet variabler som kan tillämpas på bladfjädrar som; bladtjocklek, bredd och Kona, ändbegränsningsvariationer eller belastningen som appliceras utanför centrum etc. Därför är det mest exakta sättet att mäta bladfjäderstyvhet praktiskt taget. Men för ett nära svar kan du också använda beräkningsvägen där vissa approximationer måste göras.

Beräkningsvägen

det finns två huvudtyper av bladfjäder inom fordonsapplikationer. De är ”single leaf parabolic”och” laminerad bladfjäder”. Det senare är vanligare i moderna applikationer. Bilderna nedan visar de olika typerna.

Single Leaf Parabolic

laminerad bladfjäder

två ekvationer gäller för bladfjädrar. Den ena är böjspänningsformeln för att säkerställa att maximal belastning inte överbelastar materialet. Den andra är vårstyvheten. Detta är den siffra som är viktig för ytterligare beräkningar. Ekvationerna för en enda bladparabolisk fjäder är:

och:

där:

• L = halva den totala längden på den längsta bladfjädern (m)
• F = kraft som appliceras vid varje monteringspunkt på chassit (vanligtvis hälften av belastningen som appliceras vid axelpunkten) (m)
• b = Bladfjäderbredd vid mittpunkten (m)
• t = vertikalt djup på bladfjädern vid mittpunkten där den monteras på axeln (m)
• E = Youngs modul för materialet (Pa) (se tabell nedan)
• X = Fjäderförskjutning vertikalt (m)

ekvationerna för en laminerad bladfjäder varierar något och är:

och:

där:

• L = halva den totala längden på den längsta bladfjädern (m)
• F = kraft som appliceras vid varje monteringspunkt på chassit (vanligtvis hälften av belastningen som appliceras vid axelpunkten) (m)
• b = Bladfjäderbredd vid mittpunkten (m)
• n = antal blad staplade
• n’ = antal blad direkt vid fjäderändarna
• t = vertikalt djup på bladfjädern vid mittpunkten där det finns en den monteras på axeln (m)
• e = Youngs modul för materialet (pa) (se tabell nedan)
• X = fjäderförskjutning vertikalt (m)

Youngs modul tabell för 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

den mer exakta vägen för att mäta styvheten hos dina bladfjädrar är att testa dem praktiskt om du har rätt belastningsutrustning. För att testa lasten måste du koppla bort axeln från fjädern och flytta den bort från direkt under fjädern. Därefter måste en belastning appliceras med hjälp av en enhet som mäter mängden belastning som appliceras i Newtons kraft. Bladfjädern måste böjas i steg om 10 mm steg med den kraft som krävs för att flytta fjädern som spelas in. För varje steg kan kraften delas med förskjutningen för att ge fjäderhastigheten med hjälp av nedanstående ekvation. Om siffrorna har en stor variation och ökar varje gång efter att nedanstående ekvation har använts har fjädern en progressiv hastighet och en graf bör ritas i excel för att visa vilken hastighet som finns vid varje förskjutningspunkt eftersom detta kommer att vara mer exakt än att använda en ekvation.

där:

• F = Force applied (N)
• x = mängden förskjutning (m)

Hur konvertera metriska till Imperial

Om du hellre vill ha din våren priser i termer av pounds och inches då kan du använda nedanstående konverteringsekvationen för att ändra resultatet bildar newtons per meter till pounds per tum.

likaså om du vill konvertera pounds per tum till newtons per meter sedan mata in pounds per tum värde där det står exempel nedan och jag kommer att producera newtons per meter svar.

hur man lägger till Fjäderhastigheter för flera fjädrar

det finns två konfigurationer som flera fjädrar kommer in. En är fjädrar i serie och en är fjädrar parallellt. En bil kan anses ha fjädrar parallellt eftersom om man tittar på den främre axeln av en bil varje hjul som sin egen fjäder som verkar på framsidan av fordonet gör totalt två fjädrar som arbetar sida vid sida. Detta gör dem parallella.

fjädrar i Serie

några exempel visas nedan om när en fjäder kan övervägas i serie.

När två fjädrar eller fler läggs ovanpå varandra blir den kombinerade fjäderhastigheten alltid mindre än den mjukaste fjädern. Detta beror på att du effektivt har lagt till ännu fler spolar till den mjukare våren (N) vilket minskar den totala fjäderhastigheten. Fjäderhastigheten för varje enskild fjäder måste först vara känd innan nedanstående ekvation kan användas för att beräkna den totala fjäderhastigheten för fjädrarna i serie. Om två fjädrar används i serie kan nedanstående ekvation användas:

där:

• k total = kombinerad fjäderhastighet
• K1 = bottenfjäderhastighet
• K2 = toppfjäderhastighet

om mer än två fjädrar är i serie kan nästa fjäder upp fortsätta att läggas till ekvationen för alla fjädrar; till exempel i fallet med 4 fjädrar staplade ovanpå varandra skulle ekvationen vara som nedan:

fjädrar parallellt

fjädrar parallellt kan också uppnås på några sätt. Bilderna nedan visar några exempel på när fjädrar kan övervägas parallellt.

fjädrar sägs vara parallella när de alltid delar en belastning. Den sammansatta hastigheten för parallella fjädrar är mycket lättare att beräkna än fjädrar i serie eftersom fjäderhastigheterna helt enkelt läggs samman. Ekvationen nedan kan användas för att beräkna den totala effektiva fjäderhastigheten för parallellfjädrarna:

och så vidare.

innan del 2 släpps nästa vecka, Läs också ”hur man justerar och ställer in Antirullstänger” för information om hur man beräknar antirullstångsfjäderhastigheter.