As molas de compressão armazenam energia mecânica quando comprimidas e liberam energia mecânica quando a carga é removida. Embora as molas de compressão sejam geralmente feitas de aço para molas, elas também podem conter carbono, magnésio, níquel, cromo, estanho, cobre, tungstênio e alumínio.
Diferentes materiais criam vários graus de elasticidade e capacidade de armazenamento de energia para molas de compressão.
Robert Hooke propôs já em 1676 uma fórmula para calcular a força exercida por uma mola, que é proporcional ao seu alongamento.
As molas de compressão são dispositivos mecânicos projetados especificamente para detectar cargas compressivas axiais. Geralmente eles também podem esticar e girar até um ponto. De modo geral, as molas de compressão podem armazenar energia mecânica quando submetidas a cargas compressivas. Uma vez removida a carga, eles retornarão à sua forma e tamanho originais - sofrendo deformação elástica.
Esta capacidade única de armazenar energia potencial, combinada com sua relativa simplicidade e acessibilidade, torna as molas de compressão valiosas em uma ampla gama de aplicações. Desde botões mecânicos de teclado, colchões e canetas esferográficas, até armas de fogo e amortecedores de suspensão de automóveis. Desde o século XV, utilizamos molas de compressão, e a primeira mola de compressão foi usada em dispositivos de relógio.
Tipos de molas de compressão
As molas de compressão podem ter muitas formas geométricas diferentes. Os mais comuns são bobinas ou molas espirais. Este formato é mais popular do que outros formatos porque permite alta compressão e expansão contínua até certo ponto. Também é mais leve porque utiliza menos materiais para atender à necessidade de absorção de cargas compressivas. Finalmente, o formato da mola helicoidal confere a este tipo uma constante de mola relativamente grande (que será explicada em detalhes posteriormente).
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Material da mola de compressão
As molas de compressão são geralmente feitas de aço para molas, que é um tipo de aço com alta resistência ao escoamento. Isso permite que eles mantenham sua forma, tamanho e formato originais, mesmo quando deformados ao extremo. Portanto, esses aços apresentam um grande espaço de deformação elástica sob tensão. Isto acontece a nível molecular, pelo que a composição destes aços tem um impacto significativo na sua elasticidade.
De modo geral, o aço para molas contém carbono e manganês, bem como níquel, cromo, molibdênio, estanho, vanádio, cobre, ferro, tungstênio e alumínio. O aço para molas é classificado pela ASTM oficial com base em sua resistência ao escoamento e dureza, portanto, diferentes composições de materiais podem ser adequadas para diferentes aplicações. Por exemplo, ASTM A228 é usado para cordas de piano, contendo 0,7% -1% de carbono e 0,2% -0,6% de manganês, com rendimento máximo resistência de 530 megapascais e resistência à tração de 400 megapascais.
Características das molas de compressão
Nesta seção, vou me concentrar na introdução de molas helicoidais desenroladas, já que essas molas são as molas de compressão mais utilizadas. Estas molas possuem certas características que têm grande importância para o seu desempenho. O diâmetro externo (D) refere-se ao diâmetro do cilindro formado pela mola quando visto de cima. O diâmetro da bobina refere-se à espessura (d) do fio da mola, que também é cilíndrico. O comprimento livre (L) refere-se ao comprimento total da mola sem qualquer compressão, enquanto a hélice efetiva (na) e a hélice total (n) são o número de bobinas que armazenam e liberam energia mecânica, e o número de bobinas do barramento ( pelo menos dois são dedicados à extremidade/base da mola). Outro atributo morfológico importante é o sentido de rotação, que pode ser para a esquerda ou para a direita.
A força exercida por uma mola é proporcional ao seu alongamento, lei proposta por Robert Hooke em 1676, poucos anos após a aplicação da primeira mola. Hooke apresentou esta fórmula ao mundo. "F=- kx", onde F é a força da mola, x é a distância de alongamento e k é a constante da mola. Cada mola é diferente e determinada pelo fabricante através de experimentos ou pelo usuário através de fórmulas. K=Gd4/[83dna]. Conforme mencionado anteriormente, as bobinas cilíndricas e cônicas são molas não lineares, portanto a lei de Hooke não se aplica a elas. A lei de Hooke não se aplica a molas que já se deformaram ou excederam o limite elástico geral.
A força de uma mola totalmente comprimida
Para calcular a força da mola totalmente comprimida, podemos utilizar esta fórmula. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E é o módulo de Young, d é o diâmetro do fio de aço, L é o comprimento livre e n é o número de hélices/bobinas efetivas, ν é a razão de Poisson e D é o diâmetro externo. É óbvio que alguns deles são determinados pelo aço escolhido pelo projetista, enquanto outros são determinados pela forma, formato e tamanho da mola.
Considerações de projeto
Ao projetar uma mola de compressão, a primeira coisa a decidir é qual material você deseja usar. Em seguida, encontre o módulo de cisalhamento (G) e a resistência à tração (TS) na tabela de dados. Esses dois fatores são cruciais para determinar a porcentagem de tensão, por exemplo, ao calcular os requisitos de carga (100* σ/ Calcular o grau em que a mola é comprimida quando uma determinada carga é induzida, com base na resistência à tração.
Outra consideração importante é o diâmetro da mola quando comprimida até o seu ponto máximo. As molas de compressão em espiral tendem a aumentar de diâmetro durante a compressão. Portanto, é importante calcular essa expansão usando a fórmula "expansão={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
O índice da mola é importante e os projetistas tentam mantê-lo dentro da faixa de 4 a 10. Seu método de cálculo é "C=(Dd/d)", que fornece um bom conceito da proporção do fio espessura ao diâmetro da mola. Isto determinará a resistência geral da mola (menor é mais forte, mas maior é mais fácil de comprimir).
