Relaksacja momentu obrotowego sprężyny skrętnej: wybór gatunku powyżej 150 C

Sprężyna skrętna, która doskonale działa w temperaturze pokojowej, może stracić jedną piątą swojego momentu obrotowego po kilku miesiącach na gorącym montażu. Nie jest to zmęczenie ani korozja. Jest to relaksacja naprężeń: pod wpływem stałego obciążenia w podwyższonej temperaturze materiał powoli przekształca odkształcenie sprężyste w trwałe odkształcenie, a moment obrotowy, który utrzymuje część na miejscu, cicho znika.

Ten artykuł wyjaśnia, gdzie relaksacja staje się znacząca w sprężynach skrętnych ze stali nierdzewnej, jak wybór gatunku zmienia szybkość i jak dobrać sprężynę, aby moment obrotowy był nadal obecny pod koniec okresu użytkowania.

Relaksacja to czas w temperaturze, a nie cykle obciążenia

Zmęczenie jest napędzane cyklami. Relaksacja jest napędzana czasem i temperaturą pod utrzymywanym odchyleniem. Sprężyna leżąca ściśnięta na półce nie relaksuje się; sprężyna utrzymywana pod kątem roboczym w temperaturze 180 C przez 2000 godzin tak. W przypadku części AGD i motoryzacyjnych, które pozostają odchylone przez lata, relaksacja jest zazwyczaj ograniczającym przypadkiem projektowym, a nie żywotnością cyklu.

Szybkość zależy od trzech zmiennych: temperatury bezwzględnej, początkowego poziomu naprężeń jako ułamka granicy plastyczności i czasu. Podwojenie temperatury bezwzględnej może zwiększyć szybkość relaksacji o rząd wielkości, dlatego praktyczny próg dla sprężyn ze stali nierdzewnej ciągnionej na zimno wynosi około 150 C.

Ile momentu obrotowego jest tracone

Rząd wielkości dla ciągnionej na zimno stali 302 i 304 przy umiarkowanych naprężeniach, utrzymywanych przez 1000 godzin:

• Do 100 C: około 3-5% utraty momentu obrotowego, często w granicach normalnego rozrzutu pomiarowego
• 150 C: około 6-10%
• 200 C: około 10-15%
• 250-300 C: około 15-25%, a geometria może zacząć się odkształcać

Powyżej 300 C, austenityczny drut ciągniony na zimno nie jest już właściwym wyborem dla sprężyny, która musi utrzymywać moment obrotowy. Albo konstrukcja przechodzi na gatunek odporny na ciepło, albo sprężyna jest zastępowana innym mechanizmem.

Trzy dźwignie zmniejszające relaksację

1. Obniżenie początkowego naprężenia

Najskuteczniejsza dźwignia. Sprężyna zaprojektowana przy 40% granicy plastyczności relaksuje się znacznie mniej niż ta sama sprężyna przy 70%. Jeśli montaż ma miejsce na dodatkową zwojnicę lub 0,1 mm większą średnicę drutu, użyj jej: dodatkowy materiał zapewnia stabilność momentu obrotowego, a nie maksymalny moment obrotowy.

2. Zabieg stabilizujący po nawinięciu

Odprężenie w temperaturze 200-300 C usuwa naprężenia związane z nawijaniem, a zabieg stabilizujący w wyższej temperaturze pod wstępnie ustawionym odchyleniem idzie dalej, rozluźniając sprężynę przed jej oddaniem do użytku. Sprężyna jest wstępnie ustawiona na nieco wyższy moment obrotowy, poddana obróbce, a następnie dostarcza stabilny moment obrotowy od pierwszego cyklu.

3. Wybór gatunku

Stale 302 i 304 zachowują się podobnie do około 250 C. Stal 316 dodaje molibden dla odporności na korozję w gorących, wilgotnych warunkach, ale nie jest mocniejsza w podwyższonej temperaturze. Stal 430 jest odporna na utlenianie w wyższej temperaturze, ale ma niższą wytrzymałość w podwyższonej temperaturze, dlatego nadaje się do sprężyn pozycjonujących o mniejszym znaczeniu, a nie do utrzymywania obciążenia. Drut ciągniony na zimno zachowuje więcej swojej obróbki na zimno niż drut wyżarzony, a zatem relaksuje się wolniej, ale traci tę przewagę, jeśli temperatura pracy zbliża się do zakresu wyżarzania.

Okno specyfikacji

Zastosowania, gdzie ma to znaczenie

• Zawiasy drzwi piekarnika i sprężyny tłumików
• Mechanizmy zatrzasków kuchenek i grilli
• Zaciski wnętrza i komory silnika samochodów
• Sprężyny tłumików i klap przemysłowych
• Sprężyny siłowników grzałek i HVAC

Jak określić sprężynę do pracy w wysokiej temperaturze

Podać ciągłą temperaturę pracy, temperaturę szczytową i czas jej trwania, kąt odchylenia roboczego, moment obrotowy wymagany pod koniec okresu użytkowania, a nie przy dostawie, oraz oczekiwany czas pracy. Z tymi pięcioma danymi można sprawdzić projekt pod kątem relaksacji, zamiast walidować go metodą prób i błędów w praktyce.

TOPONE od 1993 roku produkuje drut ze stali nierdzewnej i dostarcza sprężyny skrętne o średnicy od 0,15 mm do 12 mm, dzięki czemu gatunek, stan drutu i obróbka cieplna sprężyny są określone razem, a gwarancja momentu obrotowego obowiązuje w temperaturze, w jakiej faktycznie znajduje się część.