Hva består en fjær av?

Varm- eller kaldviklet av en rekke materialer og med ulike tråddiametre. Konstruksjonen, materialet og produksjonsprosessene tilpasses spesielt til fjærens tekniske formål.

Hos Lesjöfors dreier vår verden seg om trykkfjærer, vrifjærer og strekkfjærer, og vi er bransjeledende eksperter på produksjon av disse.

Med svært gode produksjonsmuligheter for tråddiametre fra 0,03 mm til 80 mm bruker vi både varm- og kaldvikling for å levere kvalitetsfjærer til et bredt spekter av bransjer.

Men hvordan finner du ut hvilken fjær som passer best for deg?

Trykkfjærer

Trykkfjærer er den vanligste fjærtypen. Den spiralformede konstruksjonen gjør at de kan motstå trykkrefter og samtidig gi styrke og elastisitet som holder komponenter fra hverandre. De kan produseres i sylindrisk, konisk, avsmalnende, konveks eller konkav form med konstant eller variabel stigning, og med enten slipte eller uslipte ender.

Det finnes flere fjærtyper der kraften øker når den aksiale lengden reduseres, men trykkfjærer, også kjent som spiralfjærer, er den vanligste fjærtypen av alle.

Felles for disse er at en tråd formes til en spiral der viklingsradius og stigning kan variere langs fjæren. Belastningen føres inn i fjæren gjennom endeviklingene, som normalt er lukkede. Det betyr at stigningsvinkelen reduseres så mye som mulig i begge ender. Endene på fjæren er i de fleste tilfeller slipt, noe som sentrerer belastningen i fjæren og gir en symmetrisk deformasjon av viklingene.

Den vanligste typen er lineære, sylindriske trykkfjærer med konstant viklingsdiameter. Stigningen er også konstant, bortsett fra ved de lukkede endeviklingene. En sylindrisk, progressiv trykkfjær er konstruert med ulik stigning i forskjellige deler av fjæren. Koniske trykkfjærer utformes ofte slik at de kan komprimeres til en høyde som tilsvarer tråddiameteren. Belastnings- og deformasjonsegenskapene er vanligvis progressive, men stigningen kan varieres for å oppnå et tilnærmet lineært forhold mellom belastning og deformasjon.

Viklingsdiameteren kan også utformes slik at fjæren får tønne- eller timeglassform, noe som kan gi ønskede egenskaper i enkelte applikasjoner.

Fjærpakker er én måte å redusere plassen som kreves for fjærfunksjonen på. To eller tre trykkfjærer konstrueres slik at de passer inni hverandre. Dermed utnyttes også det ellers tomme området innenfor fjærens innvendige diameter. Viklingsretningen veksler mellom høyre- og venstreviklet for de ulike fjærene.

Rundt trådtverrsnitt er mest vanlig, men tråden kan også ha kvadratisk, rektangulært, elliptisk eller andre tverrsnitt.

Aksial deformasjon av en trykkfjær skaper torsjonsspenninger i trådens tverrsnitt.

Alle typer spiralformede trykkfjærer kan i teorien analyseres med en semi-analytisk metode så lenge belastningen er aksial. Detaljert analyse av andre deformasjonstyper krever ikke-lineær FE-analyse.

Strekkfjærer

Strekkfjærer, også kjent som forlengelsesfjærer, er spiralformede fjærer som er konstruert for å holde to komponenter sammen, og der kraften øker når fjærens lengde øker. Fra et spenningsanalytisk perspektiv ligner de mye på trykkfjærer. Den motsatte belastningsretningen krever imidlertid noen tydelige konstruksjonsforskjeller.

Endene på en strekkfjær må kunne overføre en trekkraft. Den vanligste løsningen er å bøye tråden i fjærendene til en egnet form. Dette kan være en åpen krok eller en lukket løkke. Enden kan utformes slik at kraften sentreres langs fjærens akse eller virker utenfor sentrum, og høyden og diameteren på løkken kan varieres innenfor produksjonsmessige begrensninger.

Denne typen integrert ende på en strekkfjær blir ofte det svakeste punktet dersom fjæren brukes i en dynamisk applikasjon med mange belastningssykluser.

Dette skyldes spenningskonsentrasjon og en ugunstig fordeling av restspenninger i bøyen som er nødvendig for å forme kroken. I svært dynamiske applikasjoner må dette tas hensyn til i konstruksjonen. I stedet for å dimensjonere hele fjæren med de lave spenningsnivåene som kreves for at kroken skal tåle belastningen, brukes det derfor ofte løsninger med separate endebeslag.

Viklingene er normalt tett viklet og har en innledende forspenning. Fjæren begynner først å deformeres når den ytre kraften overstiger denne forspenningen. Forspenningen reduserer fjærens nødvendige installasjonslengde sammenlignet med en fjær uten forspenning. Det er ikke mulig å oppnå innledende forspenning i strekkfjærer som herdes og anløpes etter vikling. Det finnes også applikasjoner der en strekkfjær uten innledende forspenning og med mellomrom mellom viklingene er å foretrekke.

Vrifjærer

Vrifjærer er spiralformede fjærer som fungerer gjennom en vridende, roterende bevegelse. De gjør det mulig for et fleksibelt element å lagre mekanisk energi når det vries, og brukes når komponenter må kunne bevege seg i en bestemt vinkel. De er ofte sterkere og mer holdbare enn strekkfjærer.

Vrifjærer brukes til roterende bevegelser og utvikler et dreiemoment når de deformeres. I mange applikasjoner brukes dette dreiemomentet som en kraft. Kraften tilsvarer da dreiemomentet delt på momentarmen, som er den vinkelrette avstanden mellom kraftens virkelinje og fjærens sentrum. Enkelte komponenter som har formen til en vrifjær, kan teoretisk sett være mer hensiktsmessige å behandle som trådformer.

Belastningen føres inn i fjærkroppen gjennom ben, som kan ha mange ulike former. De grunnleggende typene er likevel tangentielle, radiale eller aksiale ben. Tangentielle ben er den enkleste løsningen, der bena følger tangenten i punktet hvor den spiralformede fjærkroppen slutter. Radiale ben kan være rettet innover eller utover. Det er også mulig med alle retninger mellom tangentielle og radiale ben, samt ben som er bøyd mer enn 90°. Flere bøyer i bena kan også inngå i konstruksjonen dersom det er nødvendig.

Som for alle vrifjærer bør belastningen ideelt sett føres inn i fjæren som et dreiemoment i stedet for som en punktkraft. Hvis bena er festet, fordeles deformasjon og spenninger jevnere i fjærmaterialet. Et kraftpar som virker på bena gir bedre funksjon og lengre levetid enn en enkelt kraft.

Kaldviklede vrifjærer har restspenninger fra viklingen, og dette gir dem en høyere elastisk grense når de arbeider i oppviklingsretningen sammenlignet med avviklingsretningen. De monteres ofte på en dor, selv om dette ikke er nødvendig dersom bena er korrekt festet. Det må sikres at diameteren kan reduseres ved belastning i oppviklingsretningen, og det er viktig at doren ikke hindrer denne diameterreduksjonen. Hvis dette skjer, vil bena være den eneste delen av fjæren som kan deformeres, og den resulterende overbelastningen vil føre til fjærsvikt. Det samme kan skje dersom det ikke er tilstrekkelig aksial plass til lengdeøkningen som oppstår ved belastning i oppviklingsretningen.

Materialet i en spiralformet vrifjær utsettes for bøyespenninger. Analytiske metoder implementert i dataprogrammer brukes til å forutsi sammenhengen mellom dreiemoment og deformasjon samt spenningsnivåene. Disse metodene bygger på antakelsen om at belastningen påføres som et dreiemoment, og at bøyespenningen fordeles symmetrisk i fjæren. For fjærer med få viklinger og eller lange ben kan bena stå for en stor del av den totale deformasjonen, og dette må tas med i beregningene.

Det finnes et nærmest uendelig utvalg av fjærtyper, fra kundetilpassede konstruksjoner til standardprodukter på lager, Utforsk produktene våre for å finne fjærer til alle behov.