Tipuri de arcuri

Arcurile sunt componente mecanice esențiale care stochează și eliberează energie, oferind rezistență la forță sau cuplu. Ele joacă un rol crucial în diverse aplicații, de la sisteme de suspensie auto până la produse de larg consum. Acest articol explorează diferitele tipuri de arcuri în funcție de aplicarea sarcinii, caracteristicile forței-deplasare și metodele de fabricație.

Clasificare în funcție de modul în care este aplicată sarcina

Arcuri de compresie

Arcurile de compresie sunt unul dintre cele mai comune tipuri de arcuri. Sunt proiectate să reziste forțelor de compresiune aplicate axial, înmagazinând energia mecanică atunci când sunt comprimate și eliberând-o când sarcina este îndepărtată. Aceste arcuri au o gamă largă de aplicații, inclusiv sisteme de suspensie pentru automobile, mașini industriale și produse de larg consum, cum ar fi pixuri și capcane pentru șoareci.

Arcurile de compresie sunt de obicei realizate din sârmă rotundă încolăcită într-o formă elicoidală, cu un diametru constant pe toată lungimea lor. Alegerea materialului depinde de cerințele specifice aplicației, cum ar fi capacitatea de încărcare, rezistența la coroziune și rezistența la temperatură. Materialele comune includ oțel pentru arc, oțel inoxidabil și bronz fosfor.

Arcuri de prelungire

Arcurile de prelungire, cunoscute și sub denumirea de arcuri de tracțiune, sunt proiectate pentru a rezista forțelor de tracțiune aplicate axial. Ele stochează energia mecanică atunci când sunt întinse și o eliberează atunci când sarcina este îndepărtată. Arcurile de prelungire sunt utilizate în mod obișnuit în sistemele de uși de garaj, echipamente agricole și echipamente de exerciții.

Arcurile de prelungire sunt realizate prin bobinarea unui fir într-o formă elicoidală, cu cârlige sau bucle formate la fiecare capăt pentru atașare. Tensiunea inițială în arc este determinată de procesul de fabricație, care implică întinderea arcului la o anumită lungime înainte de tratamentul termic.

Arcuri de torsiune

Arcurile de torsiune sunt proiectate pentru a rezista forțelor de rotație sau cuplului aplicat în jurul axei lor. Ele stochează energie mecanică atunci când sunt răsucite și o eliberează atunci când cuplul este îndepărtat. Arcurile de torsiune sunt folosite în diverse aplicații, inclusiv balamalele ușilor, scaunele auto și rolele de umbrire.

Arcurile de torsiune sunt de obicei realizate prin bobinarea unui fir dreptunghiular sau pătrat într-o formă elicoidală, cu capetele formate în forme specifice pentru atașare. Alegerea materialului depinde de rata arcului necesar, durata de viață la oboseală și condițiile de mediu. Materialele comune includ oțel pentru arc și oțel inoxidabil.

Clasificare bazată pe forță și deplasare

Arcuri liniare

Arcurile liniare prezintă o rată constantă a arcului, ceea ce înseamnă că forța necesară pentru comprimarea sau extinderea arcului este direct proporțională cu deplasarea.

Această relație liniară este descrisă de legea lui Hooke: F = kx,

unde:

F este forța,

k este constanta de resort,

x este deplasarea.

Arcurile liniare sunt utilizate în aplicații în care este necesară o relație consecventă forță-deplasare, cum ar fi sistemele de suspensie auto și mașinile industriale. Ele sunt de obicei realizate din sârmă rotundă încolăcită într-o formă elicoidală, cu un diametru constant pe toată lungimea lor.

Arcuri cu rată variabilă

Arcurile cu viteză variabilă, cunoscute și sub denumirea de arcuri neliniare, prezintă o rată a arcului în schimbare pe măsură ce sunt comprimate sau extinse. Aceasta înseamnă că forța necesară pentru comprimarea sau extinderea arcului se modifică neliniar odată cu deplasarea. Arcurile cu rată variabilă sunt utilizate în aplicații în care este necesar un profil specific de deplasare a forței, cum ar fi arcuri de supape auto și sisteme de suspensie pentru vehicule de teren.

Arcurile cu viteză variabilă pot fi proiectate variind diametrul bobinei, pasul sau diametrul firului de-a lungul lungimii arcului. Arcurile conice și arcurile în formă de butoi sunt exemple de arcuri cu rată variabilă, în care diametrul bobinei se modifică de-a lungul lungimii arcului.

Arcuri cu forță constantă

Arcurile cu forță constantă sunt proiectate pentru a oferi o ieșire de forță constantă într-un interval specific de mișcare. Sunt realizate dintr-o bandă de material pretensionată, de obicei din oțel inoxidabil, care este înfășurată în formă de spirală. Pe măsură ce arcul este extins, materialul se desfășoară din bobină, menținând o forță constantă pe toată gama sa de mișcare.

Arcurile cu forță constantă sunt utilizate în aplicații în care este necesară o forță constantă, cum ar fi mecanismele de contrabalansare, închiderea ușilor și dispozitivele de tensionare. Acestea oferă avantaje, cum ar fi dimensiunea compactă, durata de viață lungă și performanța constantă în intervalul lor de mișcare.

Clasificare după metoda de fabricație

Arcuri elicoidale

Arcurile elicoidale sunt cel mai comun tip de arc, realizate prin înfășurarea unui fir într-o formă elicoidală. Ele pot fi proiectate ca arcuri de compresie, extensie sau torsiune, în funcție de cerințele aplicației. Arcurile elicoidale sunt fabricate folosind diverse metode, inclusiv bobinarea la cald, bobinarea la rece și bobinarea CNC.

Alegerea metodei de fabricație depinde de factori precum materialul arcului, diametrul firului și volumul de producție. Bobinarea la cald este utilizată de obicei pentru diametre mai mari de sârmă și materiale de înaltă rezistență, în timp ce bobinarea la rece este utilizată pentru diametre mai mici de sârmă și materiale cu rezistență mai mică. Bobinajul CNC oferă precizie și flexibilitate ridicate, permițând producerea de geometrii complexe de arc.

Izvoare Plate

Arcurile plate sunt realizate din benzi plate de material, de obicei din oțel pentru arcuri sau oțel inoxidabil, formate în diferite forme, cum ar fi arcuri cu lame, șaibe Belleville și arcuri ondulate. Sunt proiectate pentru a oferi rezistență la forțele de încovoiere sau compresie, în funcție de configurația specifică.

Arcurile lamelare sunt utilizate în mod obișnuit în sistemele de suspensie auto, în special în vehiculele grele, pentru a susține greutatea vehiculului și pentru a asigura absorbția șocurilor. Ele constau din mai multe straturi de oțel cu arc curbat, cunoscute sub numele de frunze, stivuite împreună și conectate la capete folosind cătușe cu arc.

Saibe Belleville, cunoscute si sub denumirea de arcuri cu disc, sunt saibe de forma conica care ofera rezistenta la sarcinile axiale. Ele pot fi stivuite în serie sau paralel pentru a obține caracteristicile dorite de deformare a sarcinii, făcându-le potrivite pentru aplicații cu spațiu limitat și cerințe mari de sarcină.

Arcurile ondulate sunt realizate prin formarea unui fir plat într-o formă ondulată, oferind rezistență la sarcinile axiale în timp ce ocupă spațiu minim. Sunt utilizate în aplicații în care sunt necesare sarcini mari și deflexiuni mici, cum ar fi în echipamente aerospațiale și industriale.

Arcuri de disc

Arcurile cu disc, cunoscute și sub numele de arcuri Belleville, sunt șaibe de formă conică care oferă rezistență la sarcinile axiale. Sunt realizate prin ștanțare sau forjare a unui disc circular plat cu un unghi de con specific și diametre interior și exterior. Arcurile disc pot fi stivuite în serie sau paralel pentru a obține caracteristicile dorite de deformare a sarcinii.

Arcurile cu disc oferă mai multe avantaje față de arcurile elicoidale tradiționale, inclusiv capacitatea mare de încărcare, deformarea mică și dimensiunea compactă. Ele sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi în mașini grele, ambreiaje auto și supape, unde sarcinile mari și spațiul limitat sunt factori critici.

Arcuri prelucrate

Arcurile prelucrate sunt arcuri proiectate la comandă, fabricate folosind procese de prelucrare CNC, cum ar fi frezarea, strunjirea și șlefuirea. Acestea sunt de obicei fabricate din bare solide sau tuburi de material, cum ar fi oțel pentru arc, oțel inoxidabil sau titan și pot fi proiectate pentru a îndeplini cerințele specifice de deformare a sarcinii.

Arcurile prelucrate mecanic oferă mai multe avantaje față de metodele tradiționale de fabricare a arcurilor, inclusiv precizie ridicată, geometrii complexe și capacitatea de a încorpora caracteristici precum găuri de montare și filete. Sunt utilizate în aplicații specializate, cum ar fi în industria aerospațială, dispozitive medicale și echipamente industriale de înaltă performanță.

Arcuri turnate

Arcurile turnate sunt realizate prin injectarea unui material polimeric, cum ar fi poliuretanul sau nailonul, într-o cavitate a matriței în formă de geometria dorită a arcului. Acestea oferă proprietăți unice în comparație cu arcurile metalice, cum ar fi rezistența ridicată la coroziune, greutatea redusă și capacitatea de a amortiza vibrațiile.

Arcurile turnate sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi bucșe de suspensie auto, izolatoare industriale de vibrații și dispozitive medicale. Alegerea materialului polimeric depinde de factori precum capacitatea de încărcare, rezistența la temperatură și compatibilitatea chimică cu mediul de operare.

Izvoare cu gaz

Arcurile cu gaz sunt un tip de arc care utilizează gaz comprimat, de obicei azot, pentru a oferi rezistență la forțele de compresiune. Ele constau dintr-un cilindru etanș, care conține un piston și gaz comprimat, care exercită o forță asupra pistonului atunci când arcul este comprimat.

Arcurile cu gaz oferă mai multe avantaje față de arcurile mecanice, inclusiv puterea reglabilă, dimensiunea compactă și capacitatea de a asigura amortizare. Sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi suporturile pentru capota și portbagajul auto, mecanismele de reglare a înălțimii scaunelor de birou și mașinile industriale.

Izvoare pneumatice

Arcurile pneumatice, cunoscute și ca arcuri pneumatice, folosesc aer comprimat pentru a oferi rezistență la forțele de compresiune. Acestea constau dintr-un burduf flexibil sau diafragmă umplut cu aer comprimat, care se extinde și se contractă pe măsură ce arcul este încărcat și descărcat.

Arcurile pneumatice oferă mai multe avantaje față de arcurile mecanice, inclusiv rigiditatea reglabilă, capabilitățile de nivelare a sarcinii și izolarea la vibrații. Sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi sistemele de suspensie pneumatică pentru automobile, suporturile industriale de izolare a vibrațiilor și echipamentele agricole.

Izvoare cu frunze

Arcurile lamelare sunt un tip de arc plat utilizat în mod obișnuit în sistemele de suspensie auto, în special la vehiculele grele. Acestea constau din mai multe straturi de oțel curbat cu arc, cunoscute sub numele de frunze, stivuite împreună și conectate la capete folosind cătușe cu arc.

Arcurile lamelare sunt proiectate pentru a susține greutatea vehiculului și pentru a oferi absorbție a șocurilor, ajutând la îmbunătățirea confortului și manevrabilitate. Ele pot fi configurate în diferite moduri, cum ar fi semi-eliptice, sfert-eliptice sau cantilever, în funcție de cerințele specifice aplicației.

Alegerea designului arcului lamelar depinde de factori precum capacitatea de încărcare, distribuția greutății vehiculului și spațiul disponibil. Arcurile lamelare sunt cunoscute pentru durabilitatea lor, capacitatea de transport a sarcinii și capacitatea de a oferi stabilitate laterală, făcându-le potrivite pentru aplicații grele, cum ar fi camioanele comerciale și vehiculele de teren.

Arcuri elicoidale

Arcurile elicoidale sunt un tip de arc elicoidal realizat prin înfășurarea unui fir într-o formă elicoidală, cu un diametru constant sau variabil. Ele pot fi proiectate ca arcuri de compresie, extensie sau torsiune, în funcție de cerințele aplicației.

Principiile de bază ale primăverii

Arcurile sunt dispozitive mecanice care stochează și eliberează energie pe baza principiilor elasticității și a legii lui Hooke. Când o forță este aplicată unui arc, acesta se deformează, stocând energia potențială sub formă de energie de deformare. Când forța este îndepărtată, arcul revine la forma sa inițială, eliberând energia stocată.

Relația dintre forța aplicată și deformația rezultată este descrisă de legea lui Hooke, F = kx, unde F este forța, k este constanta arcului și x este deformația. Constanta arcului, cunoscută și sub denumirea de viteză a arcului, determină rigiditatea arcului și depinde de factori precum proprietățile materialului, aria secțiunii transversale și lungimea arcului.

Arcurile sunt proiectate să funcționeze în limita lor elastică, unde deformarea este direct proporțională cu forța aplicată. Dacă forța depășește limita elastică, arcul poate suferi o deformare permanentă sau defectare, compromițându-i performanțele și siguranța.

Capacitatea de stocare a energiei a unui arc este determinată de geometria acestuia, proprietățile materialului și sarcina aplicată. Stocarea maximă a energiei are loc atunci când arcul este comprimat sau extins până la înălțimea sa solidă sau, respectiv, extinderea maximă.