Introdução ao Projeto de Molas
Obtenha uma compreensão de alto nível sobre o projeto de molas onduladas, características de desempenho e considerações de engenharia, tais como carga e deflexão, tensão de operação, vida em fadiga e constante da mola. Este recurso introdutório fornece a base para avaliar soluções de molas onduladas e apresenta links para metodologias de projeto, cálculos e orientações de aplicação mais detalhados com base em requisitos de engenharia específicos.
Molas padrão vs. Soluções de molas personalizadas
Quer a sua aplicação exija um componente padrão ou uma solução de engenharia personalizada, a Smalley pode ajudar. Um de nossos engenheiros pode ajudá-lo a escolher entre mais de 4000 peças padrão disponíveis em aço carbono e aço inoxidável. Para requisitos exclusivos, a fabricação por enrolamento pela borda da Smalley proporciona máxima flexibilidade e qualidade. Quer o seu projeto precise de uma mola ou de um milhão, considere a Smalley para os seus requisitos de molas especiais.
Definição dos Requisitos da Mola
Embora as aplicações de molas onduladas sejam extremamente diversas, existe um conjunto básico de regras para definir os requisitos da mola. Propriedades como cavidade de trabalho, dimensões da mola e material são todos parâmetros relevantes que definem os requisitos da mola. Esses requisitos são usados para selecionar uma mola padrão/em estoque ou projetar uma mola especial para atender às especificações.
Wave Spring Design Considerations
A cavidade de trabalho geralmente consiste em um furo no qual a mola opera e/ou um eixo do qual a mola mantém folga. A mola permanece posicionada por guiamento no furo ou no eixo. A distância entre as superfícies de carga define a cavidade de trabalho axial ou altura de trabalho da mola.
A seção transversal do material desempenha um papel importante no projeto de molas onduladas. Materiais econômicos, como aço carbono, são usados na fabricação de peças padrão Smalley. Além disso, muitas outras seções transversais de materiais são comumente utilizadas em projetos especiais de fabricação de molas. A engenharia da Smalley pode fornecer assistência na seleção de uma liga e seção transversal econômicas.
Para molas onduladas do tipo sobreposta e Spirawave de múltiplas voltas, a parede radial deve ser suficiente para evitar o desalinhamento entre as camadas adjacentes. Para molas com uma parede radial estreita, o desalinhamento radial pode ocorrer durante o manuseio ou operação se a mola não estiver contida ou guiada de perto.
As soluções para este problema incluem o dimensionamento da mola para guiar de forma justa no D.I. e/ou D.E. ou o projeto da mola como tipo fenda (Gap Type) de volta única.
Para molas que guiam em um eixo, o diâmetro interno pode ser tolerado para fornecer uma folga mínima em relação ao eixo. Como as molas onduladas se expandem durante a compressão, a interferência com o eixo geralmente não é uma preocupação.
Para molas que guiam no alojamento, os diâmetros do alojamento e do eixo devem ser incluídos nas especificações da mola. O diâmetro real da mola é então desenvolvido no momento da fabricação para fornecer o melhor ajuste e evitar o travamento devido à expansão.
Para molas tipo fenda (Gap Type) e tipo sobreposta (Overlap Type), o diâmetro externo pode ser especificado porque o travamento não é uma preocupação. O diâmetro externo pode ser tolerado para fornecer uma folga mínima no alojamento ou fornecer aderência no alojamento, assim como as Smalley Bearing Preload Springs.
O requisito de carga é definido pela quantidade de força axial que a mola deve produzir quando instalada em sua altura de trabalho. Algumas aplicações exigem múltiplas alturas de trabalho, onde as cargas em 2 ou mais alturas de operação são críticas e devem ser consideradas no projeto. Frequentemente, cargas mínimas e/ou máximas são soluções satisfatórias, particularmente onde o acúmulo de tolerâncias é inerente à aplicação.
Alta temperatura, carga dinâmica (fadiga), meios corrosivos ou outras condições incomuns de operação devem ser consideradas nas aplicações de molas. As soluções para várias condições ambientais normalmente exigem a seleção do material bruto ideal e da tensão de operação.
Cálculo do desempenho da mola
A compressão de uma mola ondulada cria tensões de flexão semelhantes às de uma viga simples sob flexão. Essas tensões de compressão e tração limitam o quanto uma mola pode ser comprimida antes de sofrer deformação permanente ou "deformação residual". Embora a deformação residual da mola às vezes não seja aceitável, os requisitos de carga e deflexão frequentemente levarão o projeto a aceitar alguma deformação ou "relaxamento" ao longo do tempo.
Aplicações estáticas: A Smalley utiliza a resistência mínima à tração encontrada em nossas tabelas de molas padrão para aproximar o limite de escoamento devido ao alongamento mínimo do fio chato temperado usado nos produtos Smalley. Ao projetar molas para aplicações estáticas, recomendamos que a tensão de operação calculada não seja superior a 100% da resistência mínima à tração. No entanto, dependendo de certas aplicações, a tensão de operação pode exceder a resistência mínima à tração com tolerâncias para o limite de escoamento. Os fatores típicos a serem considerados são deformação permanente, relaxamento, perda de carga e/ou perda de altura livre.
Aplicações dinâmicas: Ao projetar molas onduladas para aplicações dinâmicas, a Smalley recomenda que o cálculo da tensão de operação não exceda 80% da resistência mínima à tração.
O aumento da capacidade de carga e/ou da vida útil à fadiga pode ser alcançado comprimindo uma mola além do seu limite de escoamento elástico ou por meio de "pré-assentamento". As molas pré-assentadas são fabricadas com uma altura livre e carga maiores, sendo então comprimidas até o bloco. Tanto a altura livre quanto a carga são reduzidas, e as superfícies do material agora apresentam tensões residuais, que melhoram o desempenho da mola.
O ciclo de fadiga é uma consideração importante no projeto de molas onduladas. Determinar com precisão o quanto uma mola irá defletir pode impactar significativamente o preço da mola. Uma análise deve incluir se a mola deflete em curso total, apenas alguns milésimos a cada ciclo ou, possivelmente, uma combinação de ambos à medida que as peças se desgastam ou as temperaturas mudam.
Fórmula:
| Relação de Tensão de Fadiga | Vida Útil Estimada em Ciclos |
| .00 < X < .40 | Abaixo de 30.000 ciclos |
| .40 < X < .49 | 30.000 - 50.000 ciclos |
| .50 < X < .55 | 50.000 - 75.000 ciclos |
| .56 < X < .60 | 75.000 - 100.000 ciclos |
| .61 < X < .67 | 100.000 - 200.000 ciclos |
| .68 < X <.70 | 200.000 - 1.000.000 ciclos |
| .70 < X | mais de 1.000.000 de ciclos |
Nomenclatura
σ = Resistência à tração do material
S1 = Tensão de operação calculada na altura de trabalho inferior
S2 = Tensão de operação calculada na altura de trabalho superior
Você pode usar a Calculadora de Projeto de Molas para determinar rapidamente as tensões de operação e a vida útil aproximada em ciclos, ou as equações podem ser encontradas nas páginas Folga ou Sobreposição de Volta Única e Spirawave de Múltiplas voltas (Crest‑to‑Crest).
Uma comparação entre a constante elástica real e a constante elástica teórica (calculada) fornece limites práticos para a faixa de trabalho da mola. A constante elástica (P/f) pode ser calculada manipulando-se as equações de deflexão. Geralmente, a constante teórica é precisa até que a mola comece a se fechar totalmente ou atinja sua "altura sólida".
Como regra geral, a constante elástica calculada é linear ao longo dos primeiros 80% da deflexão disponível e para alturas de trabalho de até 2 vezes a altura sólida. Embora a mola possa operar além dessa faixa "linear", as cargas medidas serão muito maiores do que as calculadas.
Mais informações sobre peças Molas de uma volta com abertura ou sobreposição, Spirawave (Crest‑to‑Crest) de múltipals voltas e Spirawave Aninhada podem ser encontradas em suas respectivas páginas.
As molas onduladas exercem uma força maior durante a compressão (carga) e uma força menor durante a descompressão (alívio de carga). Esse efeito é conhecido como histerese. A área sombreada mostra uma representação gráfica entre as curvas.
Em uma mola de volta única, o atrito devido aos movimentos circunferenciais e radiais são as causas principais. As molas Crest-to-Crest e Aninhada também contribuem para a perda por atrito, à medida que as camadas adjacentes se friccionam. Uma lubrificação suficiente minimizará esse efeito.
Apenas Spirawaves Aninhada e Crest-to-Crest: As Spirawaves de múltiplas voltas expandem em diâmetro quando comprimidas. A fórmula mostrada abaixo é usada para prever o diâmetro máximo totalmente comprimido.
Fórmula:
Nomenclatura
ODM = Diâmetro externo no estado sólido (in)
R = Raio da onda (in) = (4Y2 + X2)/8Y
N = Número de ondas
θ = Ângulo = ArcSin[X/(2R)] (graus)
b = Parede radial (pol.)
X = 1/2 da frequência de onda = (πDM)/(2N)
Y = 1/2 altura livre média = (H-t)/2
Onde H = Altura livre por volta (pol)
As Molas Lineares são um comprimento contínuo de fio ondulado (marcelado) produzido a partir de materiais temperados para mola. Elas atuam como um dispositivo de suporte de carga que possui aproximadamente as mesmas características de carga/deflexão de uma mola ondulada.
As forças atuam axial ou radialmente, dependendo da posição instalada. A pressão axial é obtida ao dispor o expansor de forma plana em uma linha reta. O envolvimento circular do expansor (em torno de um pistão, por exemplo) produz uma força radial ou pressão para fora.
Fórmulas de Projeto de Molas
- Força Baixa a Média
- Constante Elástica Baixa a Média
- Deflexão Curta
- Características Precisas de Carga/Deflexão
As molas onduladas de volta única são usadas na mais ampla variedade de aplicações de mola devido ao seu custo mais baixo e configuração de projeto simplificada. Elas oferecem a maior flexibilidade para os projetistas. Há poucas restrições em seu projeto e elas são especificadas na maioria das aplicações com restrição de espaço axial e radial pequeno.
Equações
Deflection:
f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress:
S = (3π P Dₘ) / (4 b t² N²)
Nomenclatura
b = Parede Radial, pol. [(O.D. - I.D.)÷2]
Dm = Diâmetro Médio (pol) [(O.D. + I.D.)÷2]
E = Módulo de Elasticidade (psi)
f = Deflexão (pol.)
H = Altura Livre (pol.)
I.D. = Diâmetro Interno (pol.)
K = Fator de Ondas Múltiplas
L = Comprimento linear total (pol.)
N = Número de Ondas (por volta)
O.D. = Diâmetro Externo (pol.)
P = Carga (lb.)
S = Tensão de Operação (psi)
t = Espessura do Material (pol.)
W.H. = Altura de Trabalho (pol.) [H-F]
Z = Número de voltas
| Fator de Onda Múltipla (K) | ||||
| 2,0 - 4,0 | 4,5 - 6,5 | 7,0 - 9,5 | +10,0 | |
| 3,88 | 2,90 | 2,30 | 2,13 | |
Crest-to-Crest
- Força Baixa a Média
- Constante Elástica Baixa a Média
- Deflexão longa
- Características Precisas de Carga/Deflexão
As molas de compressão de fio chato Crest-to-Crest Spirawave são pré-empilhadas em série, diminuindo a constante elástica por um fator relativo ao número de voltas.
Equações
Deflection = f = (P K Dₘ³ Z / E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N²)
Nota:
N deve ser em incrementos de ½ onda.
Z = Número de voltas ativas.
Nomenclatura
b = Parede Radial, pol. [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = Diâmetro Médio, pol. [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = Módulo de Elasticidade (psi)
f = Deflexão (pol.)
H = Altura livre (pol.)
I.D. = Diâmetro Interno (pol.)
K = Fator de Ondas Múltiplas
L = Comprimento linear total (pol.)
N = Número de Ondas (por volta)
O.D. = Diâmetro Externo (pol.)
P = Carga (lb.)
S = Tensão de Operação (psi)
t = Espessura do Material (pol.)
W.H. = Altura de Trabalho (pol.) [H-f]
Z = Número de voltas
|
Fator de Onda Múltipla (K) |
|||||
| N | 2,0 - 4,0 | 4,5 - 6,5 | 7,0 - 9,5 | +10,0 | 2,0 - 4,0 |
| K | 3,88 | 2,90 | 2,30 | 2,13 | 3,88 |
Spirawave Aninhada
- Alta força
- Alta Constante Elástica
- Deflexão Curta
- Características Precisas de Carga/Deflexão
As molas onduladas Aninhada Spirawave são molas onduladas de fio chato com múltiplas voltas que estão alinhadas em paralelo, aumentando a constante elástica por um fator relacionado ao número de voltas.
Equações
Deflection = f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴ Z) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N² Z)
Nomenclatura
b = Parede Radial, pol. [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = Diâmetro Médio, pol. [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = Módulo de Elasticidade (psi)
f = Deflexão (pol.)
H = Altura livre (pol.)
I.D. = Diâmetro Interno (pol.)
K = Fator de Ondas Múltiplas
L = Comprimento linear total (pol.)
N = Número de Ondas (por volta)
O.D. = Diâmetro Externo (pol.)
P = Carga (lb.)
S = Tensão de Operação (psi)
t = Espessura do Material (pol.)
W.H. = Altura de Trabalho (pol.) [H-f]
Z = Número de voltas
|
Fator de Onda Múltipla (K) |
||||
|
N |
2,0 - 4,0 |
4,5 - 6,5 | 7,0 - 9,5 | +10,0 |
|
K |
3,88 |
2,9 | 2,3 | 2,13 |