Các loại lò xo

Lò xo là thành phần cơ học thiết yếu lưu trữ và giải phóng năng lượng, cung cấp khả năng chống lại lực hoặc mô-men xoắn. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ hệ thống treo ô tô đến các sản phẩm tiêu dùng. Bài viết này khám phá các loại lò xo khác nhau dựa trên ứng dụng tải trọng, đặc điểm lực-chuyển vị và phương pháp sản xuất.

Phân loại dựa trên cách tải được áp dụng

Lò xo nén

Lò xo nén là một trong những loại lò xo phổ biến nhất. Chúng được thiết kế để chống lại lực nén tác dụng theo trục, lưu trữ năng lượng cơ học khi bị nén và giải phóng năng lượng khi tải được gỡ bỏ. Những lò xo này có nhiều ứng dụng, bao gồm hệ thống treo ô tô, máy móc công nghiệp và các sản phẩm tiêu dùng như bút và bẫy chuột.

Lò xo nén thường được làm từ dây tròn cuộn thành hình xoắn ốc, có đường kính không đổi trên toàn bộ chiều dài. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như khả năng chịu tải, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt. Các vật liệu phổ biến bao gồm thép lò xo, thép không gỉ và đồng phốt pho.

Lò xo kéo dài

Lò xo giãn, còn được gọi là lò xo căng, được thiết kế để chống lại lực kéo tác dụng theo trục. Chúng lưu trữ năng lượng cơ học khi kéo căng và giải phóng năng lượng khi tải được gỡ bỏ. Lò xo giãn thường được sử dụng trong hệ thống cửa nhà để xe, thiết bị nông nghiệp và thiết bị tập thể dục.

Lò xo giãn được tạo ra bằng cách cuộn một sợi dây thành hình xoắn ốc, với các móc hoặc vòng được tạo thành ở mỗi đầu để gắn. Độ căng ban đầu của lò xo được xác định bởi quy trình sản xuất, bao gồm việc kéo căng lò xo đến một độ dài cụ thể trước khi xử lý nhiệt.

Lò xo xoắn

Lò xo xoắn được thiết kế để chống lại lực quay hoặc mô men xoắn tác dụng quanh trục của chúng. Chúng lưu trữ năng lượng cơ học khi xoắn và giải phóng năng lượng khi mô men xoắn bị loại bỏ. Lò xo xoắn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm bản lề cửa, ghế ngả ô tô và con lăn che cửa sổ.

Lò xo xoắn thường được tạo ra bằng cách cuộn một sợi dây hình chữ nhật hoặc hình vuông thành hình xoắn ốc, với các đầu được tạo thành các hình dạng cụ thể để gắn vào. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào tốc độ lò xo cần thiết, tuổi thọ mỏi và điều kiện môi trường. Các vật liệu phổ biến bao gồm thép lò xo và thép không gỉ.

Phân loại dựa trên lực và độ dịch chuyển

Lò xo tuyến tính

Lò xo tuyến tính có độ đàn hồi không đổi, nghĩa là lực cần thiết để nén hoặc kéo giãn lò xo tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển.

Mối quan hệ tuyến tính này được mô tả bởi định luật Hooke: F = kx,

Ở đâu:

F là lực,

k là hằng số lò xo,

x là độ dịch chuyển.

Lò xo tuyến tính được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi mối quan hệ lực-độ dịch chuyển nhất quán, chẳng hạn như trong hệ thống treo ô tô và máy móc công nghiệp. Chúng thường được làm từ dây tròn cuộn thành hình xoắn ốc, có đường kính không đổi trên toàn bộ chiều dài.

Lò xo tỷ lệ thay đổi

Lò xo tỷ lệ thay đổi, còn được gọi là lò xo phi tuyến tính, thể hiện tỷ lệ lò xo thay đổi khi chúng bị nén hoặc kéo dài. Điều này có nghĩa là lực cần thiết để nén hoặc kéo dài lò xo thay đổi không tuyến tính theo độ dịch chuyển. Lò xo tỷ lệ thay đổi được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu cấu hình lực-độ dịch chuyển cụ thể, chẳng hạn như trong lò xo van ô tô và hệ thống treo xe địa hình.

Lò xo tỷ lệ thay đổi có thể được thiết kế bằng cách thay đổi đường kính cuộn dây, bước hoặc đường kính dây dọc theo chiều dài của lò xo. Lò xo hình nón và lò xo hình thùng là ví dụ về lò xo tỷ lệ thay đổi, trong đó đường kính cuộn dây thay đổi dọc theo chiều dài của lò xo.

Lò xo lực không đổi

Lò xo lực không đổi được thiết kế để cung cấp lực đầu ra không đổi trong một phạm vi chuyển động cụ thể. Chúng được làm từ một dải vật liệu ứng suất trước, thường là thép không gỉ, được cuộn thành hình xoắn ốc. Khi lò xo được kéo dài, vật liệu sẽ tách ra khỏi cuộn dây, duy trì lực không đổi trong suốt phạm vi chuyển động của nó.

Lò xo lực không đổi được sử dụng trong các ứng dụng cần lực ổn định, chẳng hạn như trong cơ cấu đối trọng, máy đóng cửa và thiết bị căng. Chúng có những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ cao và hiệu suất ổn định trong phạm vi chuyển động của chúng.

Phân loại theo phương pháp sản xuất

Lò xo cuộn

Lò xo cuộn là loại lò xo phổ biến nhất, được tạo ra bằng cách quấn một sợi dây thành hình xoắn ốc. Chúng có thể được thiết kế thành lò xo nén, lò xo kéo dài hoặc lò xo xoắn, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Lò xo cuộn được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm cuộn nóng, cuộn lạnh và cuộn CNC.

Lựa chọn phương pháp sản xuất phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu lò xo, đường kính dây và khối lượng sản xuất. Cuộn nóng thường được sử dụng cho đường kính dây lớn hơn và vật liệu có độ bền cao, trong khi cuộn lạnh được sử dụng cho đường kính dây nhỏ hơn và vật liệu có độ bền thấp hơn. Cuộn CNC cung cấp độ chính xác và tính linh hoạt cao, cho phép sản xuất các hình dạng lò xo phức tạp.

Suối phẳng

Lò xo phẳng được làm từ các dải vật liệu phẳng, thường là thép lò xo hoặc thép không gỉ, được tạo thành nhiều hình dạng khác nhau như lò xo lá, vòng đệm Belleville và lò xo sóng. Chúng được thiết kế để cung cấp khả năng chống lại lực uốn hoặc lực nén, tùy thuộc vào cấu hình cụ thể.

Lò xo lá thường được sử dụng trong hệ thống treo ô tô, đặc biệt là ở các xe hạng nặng, để hỗ trợ trọng lượng của xe và hấp thụ sốc. Chúng bao gồm nhiều lớp thép lò xo cong, được gọi là lá, xếp chồng lên nhau và được kết nối ở các đầu bằng móc lò xo.

Vòng đệm Belleville, còn được gọi là lò xo đĩa, là vòng đệm hình nón có khả năng chịu tải trọng trục. Chúng có thể được xếp chồng theo chuỗi hoặc song song để đạt được đặc tính độ võng tải mong muốn, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng có không gian hạn chế và yêu cầu tải trọng cao.

Lò xo sóng được tạo ra bằng cách tạo một sợi dây dẹt thành hình dạng lượn sóng, cung cấp khả năng chống lại tải trọng trục trong khi chiếm không gian tối thiểu. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tải trọng cao và độ lệch nhỏ, chẳng hạn như trong thiết bị hàng không vũ trụ và công nghiệp.

Lò xo đĩa

Lò xo đĩa, còn được gọi là lò xo Belleville, là vòng đệm hình nón có khả năng chịu tải trọng trục. Chúng được tạo ra bằng cách dập hoặc rèn một đĩa tròn phẳng có góc hình nón cụ thể và đường kính trong và ngoài. Lò xo đĩa có thể được xếp chồng theo chuỗi hoặc song song để đạt được đặc tính độ võng tải mong muốn.

Lò xo đĩa có một số ưu điểm so với lò xo cuộn truyền thống, bao gồm khả năng chịu tải cao, độ võng nhỏ và kích thước nhỏ gọn. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong máy móc hạng nặng, bộ ly hợp ô tô và van, nơi tải trọng cao và không gian hạn chế là những yếu tố quan trọng.

Lò xo gia công

Lò xo gia công là lò xo được thiết kế riêng được sản xuất bằng các quy trình gia công CNC, chẳng hạn như phay, tiện và mài. Chúng thường được làm từ các thanh hoặc ống vật liệu rắn, chẳng hạn như thép lò xo, thép không gỉ hoặc titan, và có thể được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ võng tải cụ thể.

Lò xo gia công có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp sản xuất lò xo truyền thống, bao gồm độ chính xác cao, hình học phức tạp và khả năng kết hợp các tính năng như lỗ lắp và ren. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt, chẳng hạn như trong hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và thiết bị công nghiệp hiệu suất cao.

Lò xo đúc

Lò xo đúc được tạo ra bằng cách tiêm vật liệu polyme, chẳng hạn như polyurethane hoặc nylon, vào khoang khuôn có hình dạng giống với hình dạng lò xo mong muốn. Chúng có các đặc tính độc đáo so với lò xo kim loại, chẳng hạn như khả năng chống ăn mòn cao, trọng lượng nhẹ và khả năng làm giảm rung động.

Lò xo đúc được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong ống lót hệ thống treo ô tô, bộ cách ly rung động công nghiệp và thiết bị y tế. Việc lựa chọn vật liệu polyme phụ thuộc vào các yếu tố như khả năng chịu tải, khả năng chịu nhiệt và khả năng tương thích hóa học với môi trường vận hành.

Lò xo khí

Lò xo khí là loại lò xo sử dụng khí nén, thường là nitơ, để cung cấp khả năng chống lại lực nén. Chúng bao gồm một xi lanh kín chứa piston và khí nén, tác dụng lực lên piston khi lò xo bị nén.

Lò xo khí có một số ưu điểm so với lò xo cơ học, bao gồm lực đầu ra có thể điều chỉnh, kích thước nhỏ gọn và khả năng giảm chấn. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong giá đỡ nâng nắp capo và cốp xe ô tô, cơ cấu điều chỉnh độ cao ghế văn phòng và máy móc công nghiệp.

Lò xo khí

Lò xo khí, còn được gọi là lò xo khí nén, sử dụng khí nén để cung cấp khả năng chống lại lực nén. Chúng bao gồm một ống thổi hoặc màng chắn linh hoạt chứa đầy khí nén, giãn nở và co lại khi lò xo được tải và dỡ tải.

Lò xo khí có nhiều ưu điểm hơn lò xo cơ học, bao gồm độ cứng có thể điều chỉnh, khả năng cân bằng tải và cách ly rung động. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong hệ thống treo khí ô tô, giá đỡ cách ly rung động công nghiệp và thiết bị nông nghiệp.

Lá Mùa Xuân

Lò xo lá là loại lò xo phẳng thường được sử dụng trong hệ thống treo ô tô, đặc biệt là ở các xe hạng nặng. Chúng bao gồm nhiều lớp thép lò xo cong, được gọi là lá, xếp chồng lên nhau và được kết nối ở các đầu bằng móc lò xo.

Lò xo lá được thiết kế để hỗ trợ trọng lượng của xe và cung cấp khả năng hấp thụ sốc, giúp cải thiện sự thoải mái khi lái và khả năng xử lý. Chúng có thể được cấu hình theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như hình bán elip, hình một phần tư elip hoặc dạng công xôn, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Lựa chọn thiết kế nhíp lá phụ thuộc vào các yếu tố như khả năng chịu tải, phân bổ trọng lượng xe và không gian có sẵn. Nhíp lá được biết đến với độ bền, khả năng chịu tải và khả năng cung cấp độ ổn định ngang, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng hạng nặng như xe tải thương mại và xe địa hình.

Lò xo xoắn ốc

Lò xo xoắn là loại lò xo cuộn được tạo ra bằng cách quấn một sợi dây thành hình xoắn ốc, có đường kính không đổi hoặc thay đổi. Chúng có thể được thiết kế dưới dạng lò xo nén, lò xo kéo dài hoặc lò xo xoắn, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

Nguyên lý cơ bản của lò xo

Lò xo là thiết bị cơ học lưu trữ và giải phóng năng lượng dựa trên các nguyên lý đàn hồi và định luật Hooke. Khi một lực tác dụng vào lò xo, nó sẽ biến dạng, lưu trữ năng lượng tiềm tàng dưới dạng năng lượng biến dạng. Khi lực đó biến mất, lò xo sẽ trở lại hình dạng ban đầu, giải phóng năng lượng đã lưu trữ.

Mối quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng kết quả được mô tả bởi định luật Hooke, F = kx, trong đó F là lực, k là hằng số lò xo và x là biến dạng. Hằng số lò xo, còn được gọi là tốc độ lò xo, xác định độ cứng của lò xo và phụ thuộc vào các yếu tố như tính chất vật liệu, diện tích mặt cắt ngang và chiều dài của lò xo.

Lò xo được thiết kế để hoạt động trong giới hạn đàn hồi của chúng, trong đó biến dạng tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Nếu lực vượt quá giới hạn đàn hồi, lò xo có thể bị biến dạng vĩnh viễn hoặc hỏng hóc, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của lò xo.

Khả năng lưu trữ năng lượng của lò xo được xác định bởi hình dạng, đặc tính vật liệu và tải trọng tác dụng. Năng lượng lưu trữ tối đa xảy ra khi lò xo bị nén hoặc kéo dài đến độ cao đặc hoặc độ giãn dài tối đa.