Vad finns i en fjäder?

Fjädrar varm- eller kallindas i en mängd olika material och tråddiametrar. Konstruktion, materialval och tillverkningsprocess anpassas efter fjäderns tekniska funktion och användningsområde.

På Lesjöfors kretsar mycket av vår värld kring tryckfjädrar, vridfjädrar och dragfjädrar. Vi är branschledande inom utveckling och tillverkning av dessa fjädertyper.

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

Men hur vet du vilken lösning som passar bäst för just din applikation?

Tryckfjädrar

Tryckfjädrar är den vanligaste typen av fjäder. Den spiralformade konstruktionen gör att de kan ta upp tryckkrafter och samtidigt ge den hållfasthet och elasticitet som krävs för att hålla komponenter isär.

Tryckfjädrar kan tillverkas i flera olika former, bland annat cylindriska, koniska, konvexa och konkava. De kan ha konstant eller varierande stigning samt slipade eller oslipade ändar.

Gemensamt för tryckfjädrar är att kraften ökar när fjäderns axiella längd minskar. Tråden formas till en spiral där både lindningsradie och stigning kan variera längs fjädern. Belastningen överförs till fjädern via ändvarven, som normalt är slutna. Det innebär att stigningsvinkeln minskas så mycket som möjligt i båda ändarna. I de flesta fall slipas även fjäderändarna för att centrera belastningen och ge en mer symmetrisk deformation av varven.

Den vanligaste konstruktionen är en linjär, cylindrisk tryckfjäder med konstant varvdiameter. Även stigningen är konstant, med undantag för de slutna ändvarven. En cylindrisk progressiv tryckfjäder har däremot olika stigning i olika delar av fjädern, vilket ger en progressiv kraftkarakteristik.

Koniska tryckfjädrar utformas ofta så att de kan tryckas ihop till en höjd som ungefär motsvarar tråddiametern. Kraft-deformationskarakteristiken är normalt progressiv, men genom att variera stigningen går det att skapa ett nästan linjärt samband mellan kraft och deformation. Varvdiametern kan också varieras så att fjädern får en tunnformad eller timglasformad geometri. Det kan ge fördelaktiga egenskaper i vissa applikationer.

Fjäderpaket används för att minska det utrymme som krävs för fjäderfunktionen. Två eller tre tryckfjädrar konstrueras då för att passa inuti varandra. På så sätt utnyttjas även det utrymme som annars skulle vara tomt innanför fjäderns innerdiameter. Lindningsriktningen växlar mellan höger- och vänsterlindning för de olika fjädrarna.

Rund tråd är vanligast, men trådens tvärsnitt kan även 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, förutsatt att belastningen är axiell. För en detaljerad analys av andra deformationsformer krävs normalt en icke-linjär finita elementanalys.

Dragfjädrar

Dragfjädrar, även kallade förlängningsfjädrar, är spirallindade fjädrar som används för att hålla ihop två komponenter. Kraften ökar när fjädern sträcks ut. Ur ett spänningsanalytiskt perspektiv liknar de tryckfjädrar, men den motsatta belastningsriktningen ställer särskilda krav på konstruktionen.

Ändarna på en dragfjäder måste kunna överföra dragkraften. Den vanligaste lösningen är att forma tråden i fjäderändarna till exempelvis en öppen krok eller en sluten ögla. Änden kan utformas så att kraften verkar längs fjäderns centrumlinje eller utanför centrum. Öglans höjd och diameter kan varieras inom ramen för vad tillverkningsprocessen tillåter.

I dynamiska applikationer med många belastningscykler blir den här typen av integrerad ände ofta fjäderns svagaste del. Det beror på spänningskoncentrationer och en ogynnsam fördelning av restspänningar i böjen som krävs för att forma kroken. I mycket dynamiska applikationer måste detta därför beaktas redan i konstruktionen.

I stället för att dimensionera hela fjädern efter de lägre spänningsnivåer som krävs för att kroken ska hålla används därför ofta separata ändinfästningar.

Varven lindas normalt tätt och med initialspänning. Fjädern börjar då deformeras först när den yttre kraften överstiger initialspänningen. Initialspänningen gör det möjligt att hålla fjäderns monteringslängd kortare än hos en motsvarande 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 en bättre lösning.

Vridfjädrar

Vridfjädrar är spirallindade fjädrar som lagrar mekanisk energi genom vridning och används när komponenter behöver röra sig i en roterande eller vinklad rörelse. De är ofta robusta och lämpar sig väl för applikationer med återkommande belastning.

När en vridfjäder deformeras uppstår ett vridmoment. I många applikationer omvandlas detta vridmoment till en kraft. Kraften motsvarar då vridmomentet dividerat med hävarmen, det vill säga det vinkelräta avståndet mellan kraftens verkningslinje och fjäderns centrum. Vissa komponenter som till formen liknar vridfjädrar kan ur beräkningssynpunkt i stället vara mer lämpliga att behandla som tråddetaljer.

Belastningen överförs till fjäderkroppen genom benen, som kan utformas på många olika sätt. De vanligaste bentyperna är tangentiella, radiella och axiella. Tangentiella ben följer tangenten vid den punkt där den lindade fjäderkroppen slutar. Radiella ben kan riktas antingen inåt eller utåt. Även mellanliggande riktningar är möjliga, liksom ben som böjs mer än 90°. Vid behov kan benen även utformas med flera böjar.

För vridfjädrar är det i regel bäst att överföra belastningen som ett vridmoment i stället för som en punktkraft. Om benen är korrekt fixerade fördelas deformation och spänningar jämnare i fjädermaterialet. Ett kraftpar som verkar på benen ger därför normalt bättre funktion och längre livslängd än en enskild kraft.

Kallindade vridfjädrar har restspänningar från lindningen. Det ger en högre elasticitetsgräns vid belastning i upplindningsriktningen än i avlindningsriktningen. Vridfjädrar monteras ofta på en dorn, även om det inte alltid är nödvändigt om benen är korrekt fixerade.

Vid belastning i upplindningsriktningen måste det finnas utrymme för att fjäderdiametern ska kunna minska. Dornen får därför inte hindra denna rörelse. Om diametern begränsas blir benen den enda del av fjädern som kan deformeras, vilket kan orsaka överbelastning och i värsta fall fjäderbrott. Samma problem kan uppstå om det axiella utrymmet inte räcker till för den längdökning som sker vid belastning i upplindningsriktningen.

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

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

Med ett brett urval av fjädertyper, från kundanpassade lösningar till standardfjädrar från lager, kan du enkelt utforska vårt sortiment och hitta rätt fjäder för din applikation.