Lò xo

Lò xo (LX) tên tiếng anh springs là chi tiết máy có khả năng biến dạng đàn hồi rất lớn. Khi biến dạng, lò xo tích lũy năng lượng, sau đó giải phóng ra dần. Chúng được dùng trong các máy, thiết bị với những chức năng sau:

  • Tạo lực kéo, nén, hoặc mômen xoắn. Ví dụ, tạo lực ép trong khớp nối, trong phanh, trong bộ truyền bánh ma sát.
  • Giảm chấn động, rung động.
  • Tích lũy năng lượng, sau đó giải phóng dần, làm việc như một động cơ. Ví dụ, như dây cót trong đồng hồ.

Phân loại

Tùy theo chức năng sử dụng, LX đưoc chia ra:

  1. Lò xo kéo. Dùng đe tạo nên lực kéo. Các vòng LX sít nhau, hai dầu có móc để liên kết với chi tiết máy khác.
    Lò xo keo xoắn ốc trụ
  2. Lò xo nén. Dùng để tạo nên lực nén. Các vòng LX cách xa nhau, hai dầu lò xo bằng.
  3. Lò xo xoắn. Dùng tạo mô men xoắn.
  4. Lò xo uốn. Khi làm việc,LX chỉ chịu uốn. Ví dụ như LX nhíp, sử dụng trong xe ôtô.
Lò xo nén
Lò xo xoắn

Tùy theo hinh dạng của LX và hinh dạng của dây tạo nên LX, người ta chia ra:

  1. Lò xo trụ, LX có dạng trụ tròn.
  2. Lò xo côn. LX có dạng hình nón cụt.
  3. Lò xo lá. LX là những lá móng, hoặc thanh móng, dùng riêng lẻ hoặc ghép lại với nhau.
  4. Lò xo đĩa. LX có dạng đĩa mỏng. có khả năng tải rất lớn.
  5. Lò xo xoắn ốc. Dùng dây thép có tiết diện tròn, hoặc tiết diện vuông, tiết diện chữ nhật, cuốn thành đường xoắn vít.
  6. Lò xo xoáy ốc. Dùng dây thép, hoặc lá thép cuốn tròn theo hình xoáy trôn ốc, các vòng LX nằm trên cùng một mặt phẳng.
  7. Lò xo có độ cứng không đối. Trong quá trình biến dạng, độ cứng của LX không thay đối.
  8. Lò xo có độ cứng thay đổi. Trong khi biến dạng, tùy theo mức độ biến dạng, LX có độ cung khác nhau.
Lò xo nhíp
Lò xo côn
Lò xo đĩa
Lò xo xoáy ốc

Bài viết này chủ yếu trình bày LX xoắn ốc trụ, tiết diện dây, tròn. Đây là loại LX dược dùng phổ biến. Các lò xo khác được tính toán tương

Thông số chủ yếu của LX

  • Kích thước tiết diện dây LX. Dây có tiết diện tròn được xác dịnh bởi đường kính d, mm.
  • Đường kính trung bình của LX D, mm.
  • Đường kính ngoài của LX Dng=D+d
  • Đường kính trong của LX Dtr=D-d
  • Số vòng làm việc của LX n.
  • Chiều dài của LX H, mm. Chiều dài khi chịu tải H, mm. Chiều dài khi chịu tải là Ht
  • Chiều dài của dây thép làm LX L, mm.
  • Bước củaLX p, mm. Bước của lò xo khi chịu tải là p1t
  • Góc nâng của LX y, độ hoặc rad.
  • Tỷ số đường kính của LX c, c = D/d.
  • Chuyển vị của LX λ, mm.
  • Độ mềm của LX λn, là chuyển vị của LX duới tác dụng của một đơn vị lực.
  • Độ mền của một vòng LX λ1, chuyển vị của một vòng LX dưới tác dụng của một đơn vị lực
  • Độ cứng của LX C, N, là giá trị lực làm cho lò xo biển dạng một đơn vị.
  • Lực căng ban đầu giữa các vòng của LX kéo F0 N.
  • Lực giới hạn Flim, N, là giá trị lớn nhất của lực kéo, LX chưa bị biến dạng dư.

Một số điểm chú ý, khi chọn và tính các thông số của LX

  • Hệ số đường kính c được lấy theo kích thước của dây LX:
d, mm ≤ 2,5  3÷5 6÷12
c 5÷12  4÷10  4÷9
  • Để tránh mất ổn định, kích thước của LXnén phải thỏa mãn điều kiện: H/D≤(2,5÷3). Nếu không thỏa mãn điều kiện trên, thì phải làm cốt tựa cho lò xo.
  • Lực căng ban đầu của LX kéo có thể lấy như sau: F0= (0,25÷0,3).Flim
  • Góc nâng thường dùng y = 10° ÷ 12° .
  • Bước của LX nén phải chọn theo diều kiện: p1 = d + (1,1 ÷ 1,2).λmax/n. Đảm bảo các vòng LX không bị xát vào nhau, khi làm việc với chuyến vị cực đại.
  • Chiều dài của dây LX, L = (πD/cosy)n+2lk, với lk, là chiều dài của đoạn dây dùng  để liên kết với chi tiết máy khác.
  • Độ mềm của một vòng LX được tính theo công thức: λ1=(8D³)/(Gd4)=(8.c3)/(Gd)

Với G là mô đun đàn hồi trượt của vật liệu làm LX, thưởng dùng thép G= 8,10°MPa. 

Tính lò xo

Tải trọng và ứng suất trong LX

  • Khi chịu tải, ứng suất trong dây LX tương đối phức tap. Vi dụ, khi kéo lò xo bởi lực F, trong dây thép của LX có ứng suất xoắn τx, ứng suất kéo σk, ứng suất uốn σn, và ứng suất cắt τc.

Khi tính toán LX, ta chỉ quan tâm đến ứng suất chủ yếu, có giá trị lớn, trong dây lò xo. Các ứng suất khác được kể đến bằng cách dùng hệ số điều chỉnh giá trị ứng suất, hoặc điều chỉnh giá trị ứng suất cho phép.

  • Đối với các LX chịu kéo và chịu nén, ứng suất chủ yếu trong dây lò xo là τx Điều kiện bền của LX là: τx≤[τx]. Trong đó: τx, là ứng suất xoắn sinh ra trong dây LX, [τx] là ứng suất xoắn cho phép LX.
  • LX chịu mô men xoắn T, ứng suất chủ yếu trong dây LX là σu. Chỉ tiêu tính toán của LX là: σu≤[σu]. Trong đó σu, là ứng suất uốn sinh ra trong dây LX [σu] là ứng suất uốn cho phép của dâyLX.

Tính lò xo chịu kéo, nén

Xét LX chịu tải như trên.

Dưới tác dụng của lực F, dây LX bị xoắn bởi mô mên xoắn T = F.D/2. Do dây bị uốn cong, ứng suất xoắn ở biên trong của dây lớn hơn biên ngoài. Mô men chống xoắn của tiết diện dây LX: W= π.d³/16

Tính lò xo

Ứng suất xoắn trên dây LX dược xác định theo công thức:

τx=(kFD16)/(2πd³)=(8kcF)/(πd²)

Trong đó k là hệ số kể đến độ cong của dây lò

Giá trị của k dược tính theo công thức k = (4c +2)/(4c-3)

Ứng suất cho phép [τx] được xác định như sau: [τx] = (0,41÷0,5)σb.

Đối với các thép thường dùng làm LX, lấy σb = 1500 ÷1700 MPa.

Kiểm tra độ bền của LX bằng cách:

  1. Tinh τx, theo công thức τx=(kFD16)/(2πd³)=(8kcF)/(πd²).
  2. Xác định ứng suất cho phép [τx].
  3. So sánh τx và [τx], rút ra kết luận. Nếu τx ≤ [τx],LX đủ bền.

Thiết kế LX được tiến hành như sau:

  1. Xác định ứng suất cho phép [τx]
  2. Giả sử điều kiện τx ≤ [τx] rút ra được công thức đường kính d≥√(kFmaxc)/ [τx]
  3. Số vòng làm việc của LX được tính theo công thức: n = (λmax – λmin(Gd ))/(8c³(Fmax-Fmin) Trong đó

Fmax là lực lớn nhất tác dụng lên LX,

Fmin là lực nhỏ nhất tác dụng lên LX,

λmax là chuyển vị lớn nhất của LX, khi chịu Fmax 

λmin, là chuyển nhỏ nhất của LX, ứng với Fmin

Tính LX chịu xoắn

Khi LX chịu mô men xoắn T, dây LX bị uốn bởi mô men M= T.cosy. Vì góc y tương đối nhỏ, nên lấy gần dúng cosy = 1.

Tính lò xo chịu xoắn

Ứng suất uốn trong dây LX được xác định theo công thức:

σu = (kM)/Wu= (32kT)/πd³

Trong dó k là hệ số kể đến độ cong của vòng LX, k = (4c-1)/(4c-4)

Ứng suất uốn cho phép có thể lấy: [σu]=1,25 [τx]

Kiểm độ bền của LX bằng cách:

Tính σu, theo công thức σu = (kM)/Wu= (32kT)/πd³

Xác định ứng suất cho phép [σu].

So sánh σu, và [σu], rút ra kết luận. Nếu σu, < [σu], LX đủ bền.

Thiết kế LX được tiến hành như sau.

Xác định ứng suất cho phép [σu]

Giả sử điều kiện σu ≤ [σu], rút ra được công thức tính đường kính dây LX.

Số vòng của LX được tính theo công thức:


Trong đó θ là góc xoắn của LX, khi làm việc ứng với Tmax

J là mô men quán tính của tiết diện dây LX, J= r.d4/64.

Trình tự thiết kế LX

  1. Chọn vật liệu dây thép chế tạo LX. Xác định ứng suất cho phép.
  2. Chọn tỷ số đường kính c = D/d.
  3. Tính đường kính dây LX. Lấy d theo dãy. số tiêu chuẩn. Kiểm tra lại giá trị của hệ số đường kính c, nếu sai khác nhiều, phải chọn lại.
  4. Tính số vòng làm việc n của của LX, tính chiều dài dây LX.
  5. Định các kích thước của LX. Vẽ kết cấu của LX.
  6. Đối với LX chịu nén cần kiếm tra điều kiện ổn định: Nếu không đảm bảo điều kiện ổn định, phải dùng cốt hỗ trợ.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *