Primavera

Una molla è un elemento o una parte meccanica che utilizza le proprietà elastiche di determinati materiali per assorbire l' energia meccanica , produrre un movimento o esercitare una forza o una coppia .

Descrizione

Le pitture rupestri attestano che l'uomo ha inventato questo pezzo per più di 10.000 anni, sotto forma di arco , costituito essenzialmente da un pezzo curvo flessibile la cui elasticità consente di riportare il pezzo nella sua posizione iniziale quando viene deformato; La primavera è stata determinante per l'ascesa delle civiltà .

Una molla ideale è perfettamente elastica e riprende la sua forma di riposo, o una delle sue forme di riposo se ne ha più, dopo aver subito una deformazione .

Diverse categorie principali di molle possono essere distinte in base ai materiali utilizzati, che possono essere metalli, elastomeri, materiali compositi o anche gas.

Definizioni

Secondo ISO 26909: 2010

' Dispositivo meccanico a molla
progettato per immagazzinare energia quando deformato e per rilasciare la stessa quantità quando viene rilasciato'

Caratteristiche generali delle molle

Uno dei parametri essenziali nello studio di una molla è la conoscenza della sua legge costitutiva. Descrive il legame tra la forza applicata alla molla ( forza o momento di forza ) e la deformazione risultante (allungamento o rotazione, rispettivamente): $S$ $u$

u = f (S)

Per un dato stato di sollecitazione o deformazione, il rapporto tra sollecitazione e deformazione è chiamato rigidità :

k = {\ frac Su}

È espresso in:

N m −1 nel caso di un allungamento;
N m rad −1 nel caso di una rotazione.

L'inverso della rigidità, 1 ⁄ $k$ , è flessibilità o cedevolezza.

Un cosiddetto comportamento lineare è simile alla legge di Hooke : la deformazione è quindi proporzionale alla forza applicata e la rigidità è una costante indipendente dal carico. Questa è la legge costitutiva più semplice. La curva che rappresenta il risultato della sua deformazione complessiva, in funzione della forza applicata, è una linea retta. L'allungamento o la rotazione sono quindi proporzionali alla forza o alla coppia che l'ha provocata. Il coefficiente di proporzionalità è la rigidità . $u$ $\ theta$ $T$ $VS$ $K$

Sebbene il comportamento lineare sia il più frequentemente menzionato o ricercato, per facilità o per reali imperativi tecnici, le leggi che collegano le deformazioni complessive delle molle alle forze ad esse applicate sono molto più varie di quanto si pensi normalmente; l'arte dei progettisti e dei produttori di primavera è quella di adattarli il più possibile alle esigenze!

Nota: non confondere i due termini rigidità e rigidità. Anche se sono più o meno intercambiabili nel linguaggio quotidiano, da un punto di vista tecnico la rigidità si applica alle parti mentre la rigidità caratterizza i materiali.

Associazione delle sorgenti

Assumendo un comportamento lineare della molla, secondo la relazione in cui la rigidità totale è costante, si ottengono le seguenti relazioni per le usuali combinazioni di più molle: $S _ {{\ text {tot}}} = k _ {{\ text {tot}}} u _ {{\ text {tot}}}$ $k _ {{\ text {tot}}}$

Molle disposte in parallelo in modo che le molle abbiano tutte la stessa deformazione:
- Deformazione totale: $u _ {{\ text {tot}}} = u_ {1} = u_ {2} = u_ {3} = \ ldots = u_ {n}$
- Impegno totale: $S _ {{\ text {tot}}} = S_ {1} + S_ {2} + S_ {3} + \ ldots + S_ {n}$
- Tesi : Rigidità totale: $k _ {{\ text {tot}}} = k_ {1} + k_ {2} + k_ {3} + \ ldots + k_ {n}$
- Dimostrazione : $S _ {{\ text {tot}}} = k_ {1} u_ {1} + k_ {2} u_ {2} + k_ {3} u_ {3} + \ ldots + k_ {n} u_ {n}$ e, poiché tutti gli allungamenti sono identici, $S _ {{\ text {tot}}} = (k_ {1} + k_ {2} + k_ {3} + \ ldots + k_ {n}) u _ {{\ text {tot}}} = k _ {{\ text {tot}}} u _ {{\ text {tot}}}$ da qui la rigidità dell'insieme eliminando . $u _ {{\ text {tot}}}$

Molle disposte in serie (le molle sono sottoposte alla stessa forza; la deformazione totale è la somma delle singole deformazioni):
- Deformazione totale: $u _ {{\ text {tot}}} = u_ {1} + u_ {2} + u_ {3} + \ ldots + u_ {n}$
- Impegno totale: $S _ {{\ text {tot}}} = S_ {1} = S_ {2} = S_ {3} = \ ldots = S_ {n}$
- Tesi : Flessibilità totale: ${\ frac {1} {k _ {{\ text {tot}}}}} = {\ frac {1} {k_ {1}}} + {\ frac {1} {k_ {2}}} + { \ frac {1} {k_ {3}}} + \ ldots + {\ frac {1} {k_ {n}}}$
- Dimostrazione : $u _ {{tot}} = u_ {1} + u_ {2} + u_ {3} + \ ldots + u_ {n}$ Sostituendo le deformazioni con la loro espressione in base alla forza, $u_ {i} = {\ tfrac {S_ {i}} {k_ {i}}}$ $u _ {{\ text {tot}}} = {\ frac {S _ {{\ text {tot}}}} {k _ {{\ text {tot}}}}} = {\ frac {S_ {1 }} {k_ {1}}} + {\ frac {S_ {2}} {k_ {2}}} + \ ldots + {\ frac {S_ {n}} {k_ {n}}}$ e, poiché tutte le forze sono le stesse, $u _ {{\ text {tot}}} = {\ frac {S _ {{\ text {tot}}}} {k _ {{\ text {tot}}}}} = S _ {{\ text { tot}}} \ left [{\ frac {1} {k_ {1}}} + {\ frac {1} {k_ {2}}} + \ ldots + {\ frac {1} {k_ {n}} } \ giusto]$ da qui la flessibilità dell'insieme eliminando . $S _ {{\ text {tot}}}$

Molle in metallo

Se la progettazione di una molla di qualità richiede solide conoscenze nel campo dell'analisi delle tensioni e della meccanica razionale, la realizzazione di un progetto solleva questioni di scelta dei materiali (natura, trattamenti), forma realizzativa e soprattutto qualità superficiale (struttura, tensioni residue, rugosità ) quando si lavora su un meccanismo in movimento.

Sebbene molte molle siano richieste a frequenze abbastanza alte o molto alte, ci limiteremo qui a uno studio statico o quasi statico. Quando le deformazioni avvengono a bassa velocità, le variazioni di carico si riflettono senza ritardi su tutta la massa della molla. D'altra parte, nel caso di funzionamento dinamico ad alta frequenza, i carichi applicati ad un'estremità di una molla non vengono trasmessi istantaneamente all'altra; questo ritardo genera fenomeni vibratori talvolta sfruttabili ma il più delle volte indesiderabili. I produttori di motori, ad esempio, difficilmente apprezzano la "danza" delle molle delle valvole.

Le molle, ovviamente destinate a deformarsi sotto carico, sono fondamentalmente diverse da altre parti meccaniche che normalmente si desiderano il meno deformabili possibile. Nonostante tutto, utilizzeremo le formule classiche delle travi studiate nella resistenza dei materiali, sebbene siano strettamente applicabili solo in caso di piccole deformazioni. In ogni caso, la precisione portata al calcolo delle molle ha senso solo se si hanno i materiali che ne consentono l'ottenimento e soprattutto il mantenimento nel tempo delle caratteristiche adeguate.

Materiali e trattamenti

Un buon materiale per la fabbricazione molle ha una forte resistenza elastica $R all'e 2 / 2 E$ più grande possibile, essendo il limite di snervamento e il modulo di Young di questo materiale. Tuttavia, un limite elastico elevato non è sufficiente, deve essere accompagnato da una buona resilienza e una buona resistenza nei confronti delle forze alternate. $Ri}}$ $E$

Tra gli acciai , una prima famiglia è quella degli acciai manganosilicei contenenti dall'1,5 al 2% di silicio , dallo 0,6 allo 0,7% di manganese , dallo 0,4 allo 0,6% di carbonio , possibilmente con un po 'di cromo , tungsteno , molibdeno o vanadio . Si possono citare i seguenti gradi: 45S7 (balestre), 55S7, 45SCD6, 60SC7, (barre di torsione), 45SW8. Esistono anche acciai al cromo, con vanadio, manganese o silicio-molibdeno, ad esempio: 45C4, 50CV4. Questi materiali sono disponibili solo in grandi dimensioni: filo con un diametro maggiore di 6 mm, lama con uno spessore maggiore di 4 mm.

L' elinvar ("acciaio" al 33% di nichel, 12% di cromo, 1,2% di manganese) ha un modulo di Young indipendente dalla temperatura. Viene utilizzato nella produzione di molle destinate a dispositivi di precisione ( galvanometri , sismografi , cronometri , diapason , ecc.). Questo materiale non è immediatamente disponibile e quindi molto costoso.

La resistenza allo snervamento degli acciai diminuisce rapidamente all'aumentare della temperatura. Le leghe di tipo INCONEL a base di nichel (dal 45 al 75%), cromo (15%), cobalto , molibdeno , tungsteno , titanio , ferro e alluminio mantengono le proprietà corrette fino a 400-500 ° C. Come il materiale precedente, questo materiale è costoso, ma può essere trovato abbastanza facilmente.

Il filo armonico è (in linea di principio) un filo di acciaio al carbonio allo 0,8 - 1%, la cui superficie levigata è priva di difetti o imperfezioni evidenti che possono provocare cedimenti per fatica. Normalmente si raggiunge un limite di snervamento $R e$ = 1210 MPa per il filo da 0,5 mm e $R e$ = 1125 MPa per il filo da 13 mm. Attenzione però al "filo per pianoforte" acquistato nel reparto bricolage del supermercato locale, perché è probabile che non si avvicini a queste esibizioni ... (Esistono diversi tipi di filo per pianoforte: B1 equivalente a un XC65 - C1 o SH equivalente a un XC75. Questi due materiali sono poco costosi e spesso utilizzati. G1 equivale a un XC85 da 2 a 3 volte più costoso del precedente e non fa nulla di più per diametri maggiori di 2, 5 mm)

Acciaio inox AISI 302 (Z12 CN 18-8) / AISI 316 (Z11 CND 17-6): questi materiali molto simili nell'uso rispetto ai suddetti acciai hanno il vantaggio di essere poco sensibili alla ruggine. Il loro costo è leggermente superiore a quello dei suddetti acciai, ma diventa più economico nel caso di piccole quantità che necessitano di essere protette dalla ruggine.

Un materiale troppo poco conosciuto ma ampiamente utilizzato nella costruzione elettrica è il rame berillio (dall'1 al 2%). Permette di produrre molle che sono ottimi conduttori di elettricità e calore. Il suo limite di elasticità raggiunge i 1000 MPa, con un'ottima resistenza . Questo materiale richiede un trattamento termico di qualità dopo l'uso e spesso un rivestimento di stagno per facilitare la saldatura.

Le leghe a memoria di forma (es. Nitinol, leghe di nichel , titanio e rame ) sono una soluzione interessante quando il rilassamento della molla deve essere ritardato nel tempo. Presentano diverse proprietà molto speciali, tra cui l' effetto memoria unidirezionale che consente alla lega di ritrovare la sua forma iniziale dopo la deformazione meccanica o termica e l'effetto memoria bidirezionale che la rende capace dopo "educazione" di due posizioni stabili sotto e sopra una certa "temperatura critica". Le molle possono così rimanere "a riposo" a temperatura ambiente e diventare "attive" se la loro temperatura aumenta. Hanno applicazioni molto interessanti in ortodonzia , in sistemi di assemblaggio meccanico , dispositivi di sicurezza, ecc.

A temperature molto basse (da -150 a -200 ° C), quasi tutti gli acciai sono estremamente fragili, ma è possibile utilizzare altri metalli come il piombo . Naturalmente, una molla di piombo non dovrebbe mai essere portata sotto carico a temperatura ambiente.

I dettagli dei processi di produzione esulano dallo scopo di questo articolo. Segnaliamo semplicemente che tutte le molle serie subiscono trattamenti meccanici che, comprimendo gli strati superficiali del metallo, riducono al minimo la formazione e la propagazione di cricche da fatica . Questi trattamenti possono essere la brunitura (barre di torsione) o pallinatura (inglese pallinatura ). La preformatura delle molle è anche una soluzione per creare, nei punti più sollecitati, le adeguate tensioni residue di compressione o taglio. Ma se una molla viene calcolata correttamente, la pallinatura o la preformatura delle molle non sono necessarie e costose.

Calcolo della rigidità

Molto spesso è utile conoscere la rigidità di una molla elicoidale. Per questo usiamo la formula: $K$

K = {\ frac {Gd ^ {4}} {8nD ^ {3}}}

O :

$K$ è la rigidità della molla in N / mm
$G = {\ frac {E} {2 (1+ \ nu)}}$ è il modulo di taglio o modulo di Coulomb in N / mm², pari a circa 81.000 MPa (= 81.000 N / mm 2 ) per gli acciai
$E$ è il modulo di Young in N / mm²
$\nudo$ è il rapporto di Poisson , adimensionale, pari a 0,33 per gli acciai
$non$ è il numero di giri utili (senza unità)
$d$ è il diametro del filo in mm
$D$ è il diametro medio o il diametro dell'avvolgimento delle spire in mm (la media tra il diametro interno ed esterno delle spire)

Molle il cui materiale lavora in torsione

Molle correlate

Invece di un filo tondo, possiamo usare altre forme, ellittiche, rettangolari, ... A volte, le molle con filo rettangolare si ottengono tagliando in un tubo.

Le molle coniche sono avvolte a passo costante (sulla molla nello stato libero si sale della stessa quantità ad ogni giro) oppure ad una pendenza costante (le spire sono sempre più strette man mano che ci avviciniamo alla fine di piccolo diametro).

nel primo caso è possibile ottenere una rigidità sempre più forte con il progredire della compressione (le spire di diametro maggiore sono le più flessibili e si comprimono prima "al blocco") o un ingombro minimo una volta raggiunta la compressione.
nel secondo caso la variazione di rigidità è ridotta al minimo, le spire collassano più o meno contemporaneamente ma una volta completamente appiattito il filo assume l'aspetto di una spirale sempre più lasca man mano che ci si allontana dal centro.

Non tutte le molle coniche possono "giacere piatte".

Molla conica
Molla conica
Molla conica

Per le molle a spirale non utilizziamo più filo ma strisce di lamiera speciale tagliate secondo vari profili. Se si desidera una rigidità variabile, è necessario adottare una larghezza costante in modo che le spire di diametro maggiore si pieghino prima. Se, al contrario, vogliamo che la rigidità rimanga costante, allora dobbiamo fare in modo che la sezione vada aumentando dall'interno verso l'esterno. È anche possibile realizzare molle a doppia voluta.

Molla a spirale
Molla a spirale
Molla a doppia spirale

Le molle a spirale, oltre alle loro caratteristiche meccaniche alquanto particolari, hanno la particolarità di avere una struttura chiusa, limitando i rischi di bloccaggio da parte di corpi estranei. La molla a doppia voluta, ad esempio, è molto spesso utilizzata per diffondere i due rami delle cesoie. I giardinieri non amano molto le cesoie da potatura con normali molle elicoidali, poiché i ramoscelli si incastrano facilmente in esse. Questo tipo di sorgente è anche chiamato sorgente Comtois.

Molle il cui materiale lavora in flessione

Varie molle metalliche

Diaframmi

Vari produttori offrono parti standardizzate che funzionano come le rondelle Belleville ma molto meno rigide. Dovresti consultare i loro cataloghi per maggiori informazioni.

Molla a diaframma a tazza multipla particolarmente utilizzata in alcune frizioni
Rondella Ringspan
Diaframma conico Borelly

Molle ad anello

I sistemi elastici ad altezza variabile sono prodotti impilando anelli conici. Tali sistemi, sottoposti ad un carico assiale, diminuiscono di lunghezza a causa dell'espansione degli anelli esterni e della contrazione degli anelli interni. Gli anelli "maschio" interni penetrano negli anelli "femmina" esterni.

L'attrito molto significativo che si verifica tra gli anelli è tale che la forza assiale fornita durante il rilassamento della pila è molto inferiore a quella applicata durante il caricamento. Provocano una notevole perdita di energia che corrisponde all'area tratteggiata del diagramma che rappresenta il ciclo di compressione-espansione. Questa peculiarità può essere sfruttata in alcuni meccanismi come i respingenti sui rotabili ferroviari, dove aiutano ad assorbire gli urti.

Sostituendo uno o più degli anelli interni completi con anelli elastici, si può conferire a questa molla un comportamento completamente diverso: diventa "morbida" all'inizio della sua deformazione, poi sempre più "dura".

Rondelle ondulate

Esistono molti tipi di rondelle ondulate . Sono utilizzati, ad esempio, per recuperare il gioco o per sostituire le molle elicoidali come molle di richiamo. Molti materiali vengono utilizzati a seconda delle specifiche.

Varie parti elastiche

Sono innumerevoli le parti elastiche che fungono da molle in molti meccanismi, con caratteristiche specifiche e quindi al di fuori della produzione standardizzata, come le parti in filo.

Le guarnizioni Bal-Seal hanno molle elicoidali appiattite che conferiscono loro l'elasticità radiale necessaria per un buon contatto interno ed esterno sulle parti da sigillare:

Molte molle sono realizzate con il cosiddetto nastro "foglio blu" tagliato e sagomato su richiesta. Per le apparecchiature elettriche, quando sono necessarie parti elastiche e buoni conduttori, il rame al berillio viene utilizzato nelle stesse condizioni.

Primavera a foglia
Primavera a foglia
Primavera a foglia
Una primavera speciale

Parti più complesse possono essere prodotte tagliando, stampando e formando.

Molle in elastomero

Oltre al fatto che è molto inferiore a quello dei metalli, il modulo elastico delle gomme varia con la forma dell'elemento elastico, che a sua volta varia notevolmente con il carico applicato. È quindi praticamente impossibile ottenere caratteristiche lineari, soprattutto nel caso di molle a compressione.

Spesso, infatti, questa caratteristica viene sfruttata per smorzare le vibrazioni tra i due elementi collegati dalla molla. Infatti, l'energia fornita dalla vibrazione sinusoidale di un elemento sarà distribuita, in uscita, tra la frequenza fondamentale e le sue armoniche, che sono i suoi multipli. Ora, sappiamo che più una vibrazione ha un'alta frequenza, più è facile smorzarla.

Se le molle in gomma hanno un'ottima resistenza alle sollecitazioni dinamiche, subiscono anche, in misura variabile, gli effetti di isteresi meccanica il che significa che il ritorno alla loro forma iniziale non è istantaneo dopo aver subito una deformazione. Ciò è dovuto al comportamento sempre più o meno viscoelastico di questi materiali. Non dimentichiamo che il fenomeno dell'isteresi è soprattutto un fenomeno di ritardo di un effetto su una causa.

Questa isteresi provoca la trasformazione in calore, anche all'interno del materiale viscoelastico , di parte dell'energia fornita. Poiché la gomma è un cattivo conduttore di calore, ciò si traduce in un riscaldamento interno che può, per meccanismi scarsamente studiati, portare al degrado o alla distruzione della gomma. Si noti inoltre che il modulo di elasticità varia con la temperatura, con la velocità di applicazione del carico, e che cambia nel tempo a causa dell'invecchiamento del materiale.

Tutti questi fattori interagiscono e in queste condizioni è facilmente intuibile che le caratteristiche di una molla in gomma non possono essere definite con la stessa precisione di quelle di una molla metallica. D'altra parte, è relativamente facile ottenere moduli di elasticità e capacità di smorzamento molto variabili, variando la natura e le proporzioni dei costituenti della miscela da utilizzare.

Molle in materiale composito

I compositi fibra-resina hanno un'elevata capacità di assorbire energia per deformazione elastica quando le fibre sono orientate nella direzione delle maggiori sollecitazioni. I principali vantaggi della molla composita sono una buona resistenza alla corrosione, una lunga durata, una bassa rumorosità in uso, un'elevata frequenza naturale, un buon effetto tampone e un notevole risparmio di peso per i sistemi di bordo.

Lo sviluppo di queste molle avvantaggia ampiamente l'automobile dove il risparmio di peso rispetto a una molla in acciaio può raggiungere il 60%. A causa dell'assenza di corrosione e ossidazione la vita utile è aumentata, il rischio di rottura diminuisce notevolmente, aumentando così la sicurezza. Il comfort aumenta anche riducendo il rumore residuo.

Le molle realizzate con materiali compositi sono generalmente più rispettose dell'ambiente rispetto alle molle elicoidali in acciaio standard. Il loro processo di fabbricazione non richiede trattamenti termici o trattamenti superficiali, riducendo così la quantità di energia utilizzata nella sua fabbricazione.

La loro composizione varia a seconda del produttore, ma rimane circa ¾ di fibra di vetro per ¼ di resina epossidica. La fibra di carbonio è vantaggiosa in termini di riduzione del peso, ma è troppo costosa da produrre.

Audi è la prima casa automobilistica a incorporare molle composite nel sistema di sospensione dei suoi veicoli.

Molle a gas

La molla a gas, comunemente indicata in modo errato e molla a gas , è un tubo sigillato contenente un gas compresso in cui un pistone collegato si muove verso l'esterno da uno stelo. Questi cilindri contengono una piccola quantità di lubrificante per il corretto funzionamento dello stelo.

In realtà, queste molle a gas sono ammortizzatori . A seconda dell'utilizzo e dello sforzo richiesto, i martinetti sono più o meno calibrati nella forza e nella capacità di smorzamento per fungere da contrappeso per l'apertura e / o la chiusura di porte, vani bagagli, cofani motori, portelloni, ecc. veicoli a motore.

Nell'industria edile, si trovano per azionare portelli di controllo del fumo o vari alloggiamenti che richiedono uno sforzo fisico eccessivo.

Nei mobili sono presenti piccoli martinetti a gas per l'apertura e la chiusura di ante che si aprono verso l'alto.

Utilizza

Le molle sono ora ampiamente utilizzate in tutti i tipi di macchinari e attrezzature. Le loro funzioni sono molto diverse. Possiamo citare, senza un ordine preciso:

richiamo di una parte rimossa dalla sua posizione di equilibrio (porte a battente tipo "saloon", dispositivi di misura),
mantenendo un serraggio (mollette),
apertura rapida (coltello a serramanico, tridente sinistro ),
sospensioni del veicolo (balestre, molle elicoidali, sistemi idropneumatici ),
emissione sonora (diapason, carillon, riconoscimento "grilli"),
distribuzione del carico (box molle e materassi a molle),
molla principale dell'accumulo di energia (motori giocattolo, motori per orologi) ,
assorbimento degli urti (respingenti dell'attrezzatura ferroviaria),
misurazione e / o fissaggio del valore di una forza (chiavi dinamometriche),
compensazione per un carico o peso (portelloni posteriori di auto, porte lavastoviglie),
applicazione di uno sforzo a fini terapeutici (apparecchi ortodontici),
utilizzare come giocattoli o oggetti decorativi (le lunghe molle molto flessibili " Slinky " che scendono le scale).
utilizzo nel tempo libero (sospensione della bicicletta, trampolo urbano "Hi-STRIDER")

Produttori di primavera

La Francia aveva circa 80 produttori di molle nel 2009. Questo numero tende a diminuire nel corso degli anni, sia per semplice chiusura o raggruppando più entità.

Alcuni sono specializzati in molle personalizzate in modo da poter immaginare un futuro di nicchia.

Per offuscare la situazione, è diventato difficile trovare manodopera qualificata per la lavorazione manuale di precisione.

Note e riferimenti

Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "Ressort" (che significa A2) del tesoro computerizzato di lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
Da qui il termine "molla di ritorno"
Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "rigidità" (che significa A1) dal tesoro computerizzato di lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "flessibilità" (che significa A1a) del tesoro computerizzato di lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
Definizioni lessicografiche ed etimologiche di "conformità" del tesoro informatizzato della lingua francese , sul sito web del Centro nazionale per le risorse testuali e lessicali
Molla a gas nella Wikipedia in inglese