Vad finns i en fjäder?

Fjädrar varm- eller kallindas av en rad olika material och i varierande tråddiametrar. Konstruktion, material och tillverkningsprocess anpassas särskilt efter fjäderns avsedda tekniska funktion.

På Lesjöfors kretsar vår värld kring tryckfjädrar, vridfjädrar och tension dragfjädrar, och vi är branschledande experter på att tillverka dem.

Med ett exceptionellt spann av tråddiametrar, från 0,03 mm upp till 80 mm, använder vi både varm- och kallindning för att tillverka fjädrar av hög kvalitet för många olika branscher.

Men hur avgör du vilken lösning som passar dig bäst?

Tryckfjädrar

Tryckfjädrar är den vanligaste typen av fjädrar. Deras unika, spiralformade konstruktion gör att de kan motstå tryckkrafter och ge den hållfasthet och elasticitet som krävs för att hålla komponenter isär.

De kan tillverkas i cylindrisk, konisk, avsmalnande, konvex eller konkav form, med konstant eller varierande stigning samt med slipade eller oslipade ändar.

Det finns flera fjädertyper där kraften ökar när den axiella längden minskar, men tryckfjädrar, även kallade helixfjädrar, är den vanligaste typen.

Gemensamt för dem är att tråden formas till en spiral där lindningsradie och stigning kan variera längs fjädern. Belastningen förs in i fjädern via ändvarven, som normalt är slutna. Det innebär att stigningsvinkeln minskas så mycket som möjligt i båda ändarna. Fjäderändarna slipas i de flesta fall, vilket centrerar belastningen och ger en symmetrisk deformation av varven.

Den vanligaste typen är en linjär, cylindrisk tryckfjäder med konstant varvdiameter. Stigningen är också konstant, med undantag för de slutna ändvarven. En cylindrisk progressiv tryckfjäder är däremot konstruerad med olika stigning i olika delar av fjädern.

Koniska tryckfjädrar utformas ofta så att de kan tryckas ihop till en höjd som motsvarar tråddiametern. Kraft-deformationskarakteristiken är normalt progressiv, men stigningen kan varieras för att skapa ett nästan linjärt samband mellan kraft och deformation. Varvdiametern kan också utformas så att fjädern får tunnform eller timglasform, vilket ger egenskaper som är önskvärda i vissa applikationer.

Fjäderpaket är ett sätt att minimera det utrymme som krävs för fjäderfunktionen. Två eller tre tryckfjädrar konstrueras för att passa inuti varandra, så att även det annars tomma utrymmet innanför fjäderns innerdiameter används. Lindningsriktningen växlar mellan höger- och vänsterlindning för de olika fjädrarna.

Rund tråd är vanligast, men tvärsnittet kan också vara kvadratiskt, rektangulärt, elliptiskt eller ha andra former.

När en tryckfjäder deformeras axiellt uppstår vridspänningar i trådens tvärsnitt.

Alla typer av spirallindade tryckfjädrar kan analyseras teoretiskt med en semianalytisk metod, så länge belastningen är axiell. En detaljerad analys av andra deformationsformer kräver en icke-linjär finita elementanalys.

Dragfjädrar

Dragfjädrar, även kallade förlängningsfjädrar, är spirallindade fjädrar som är konstruerade för att hålla ihop två komponenter och där kraften ökar när fjäderns längd ökar. Ur spänningsanalytisk synvinkel liknar de tryckfjädrar, men den motsatta belastningsriktningen kräver vissa särskilda egenskaper.

Ändarna på en dragfjäder måste kunna överföra en dragkraft. Den vanligaste lösningen är att böja tråden i fjäderändarna till en lämplig form. Det kan vara en öppen krok eller en sluten ögla. Änden kan placeras så att kraften centreras längs fjäderns axel eller verkar utanför centrum. Öglans höjd och diameter kan varieras inom tillverkningens begränsningar.

Den här typen av integrerad ände blir ofta den svagaste delen av dragfjädern om den används i en dynamisk applikation med många belastningscykler.

Det beror på spänningskoncentrationer och en ogynnsam fördelning av restspänningar i den böjning som krävs för kroken. I mycket dynamiska applikationer måste detta beaktas i konstruktionen. I stället för att dimensionera hela fjädern efter de låga spänningsnivåer som krävs för att kroken ska hålla används därför ofta separata ändinfästningar.

Varven lindas normalt tätt och med en initialspänning. Fjädern börjar deformeras först när den yttre kraften överstiger initialspänningen. Initialspänningen minskar fjäderns monteringslängd jämfört med en fjäder utan initialspänning.

Initialspänning kan inte skapas i dragfjädrar som härdas och anlöps efter lindningen. Det finns också applikationer där en dragfjäder utan initialspänning och med mellanrum mellan varven är mer lämplig.

Vridfjädrar

Vridfjädrar är spirallindade fjädrar som arbetar genom en vridande, roterande rörelse. De gör det möjligt för en flexibel komponent att lagra mekanisk energi när den vrids och används när komponenter behöver röra sig vinklat. De är ofta starkare och mer hållbara än dragfjädrar.

Vridfjädrar används för roterande rörelser och skapar ett vridmoment när de deformeras. I många applikationer används detta vridmoment som en kraft. Kraften motsvarar då vridmomentet dividerat med hävarmen, det vill säga det vinkelräta avståndet mellan kraftens verkningslinje och fjäderns centrum. Vissa fjädrar som till formen liknar vridfjädrar kan ur beräkningssynpunkt vara bättre att behandla som tråddetaljer.

Belastningen förs in i fjäderkroppen genom benen, som kan utformas på många olika sätt. De grundläggande bentyperna är tangentiella, radiella och axiella. Tangentiella ben är enklast och följer tangenten vid den punkt där den lindade fjäderkroppen slutar. Radiella ben kan riktas antingen inåt eller utåt. Alla riktningar mellan tangentiella och radiella ben är möjliga, liksom ben som böjs mer än 90°. Vid behov kan konstruktionen även innehålla flera böjar på benen.

För alla vridfjädrar är det bäst att föra in belastningen som ett vridmoment i stället för som en punktkraft. Om benen är fixerade fördelas deformationen och spänningarna då jämnare i fjädermaterialet. Ett kraftpar som verkar på benen ger bättre funktion och längre livslängd än en enskild kraft.

Kallindade vridfjädrar har restspänningar från lindningen. Därför får de en högre elasticitetsgräns när de arbetar i upplindningsriktningen än i avlindningsriktningen. De monteras ofta på en dorn, även om detta inte är nödvändigt om benen är korrekt fixerade.

Vid belastning i upplindningsriktningen måste man säkerställa att fjäderdiametern kan minska och att dornen inte hindrar denna rörelse. Om dornen begränsar diametern blir benen den enda del av fjädern som kan deformeras. Den överbelastning som då uppstår kan leda till fjäderbrott. Samma problem uppstår om det axiella utrymmet inte räcker till för den längdökning som uppstår vid belastning i upplindningsriktningen.

Materialet i en spirallindad vridfjäder utsätts för böjspänningar. Analytiska metoder i datorprogram används för att förutsäga sambandet mellan vridmoment och deformation samt spänningsnivåerna. Metoderna bygger på antagandet att belastningen förs in som ett vridmoment och att böjspänningen är symmetriskt fördelad i fjädern.

För fjädrar med få varv och eller långa ben står benen för en stor del av den totala deformationen. Detta måste därför tas med i beräkningarna.

Med ett närmast obegränsat urval av fjädertyper, från kundanpassade konstruktioner till standardfjädrar från lager, kan du utforska vårt sortiment och hitta fjädrar för alla behov.