Blog - Veerconstante drukveren & design

In dit stuk is uitgelegd hoe je een veerconstante van drukveren berekend en hierop een drukveer kan ontwerpen. Dit stuk is een verdieping op de standaard berekening van een veerconstante. Dit stuk gaat over standaard drukveren / spiraalveren met een constante pitch.

De functie van een drukveer is het weerstaan van een bepaalde druk lijnrecht op die veer. Drukveren bestaat uit open windingen. Open windingen komen niet tegen elkaar aan en geven zo ruimte om ingedrukt te worden. De basis berekening om een veerconstante uit te rekenen is C = F/u zie hiervoor de standaard berekening van een veerconstante. We gaan in dit stuk meer in op de details een drukveer ontwerp en de calculatie van de veerconstante op deze manier.

In dit stuk staat:

Formule veerconstante drukveren

De veerconstante van drukveren is weergegeven in Newton per mm (N/mm) indrukking. Dit hangt af van een aantal parameters in de berekening. Allereerst is de Glijmodulus in Mpa nodig (G). Dit hangt af van het materiaal wat is gebruikt, vraag deze op bij de verenspecialist. Verder is de draaddikte (d) en de diameter veer hart op hart (Dm) in millimeter (mm) nodig en als laatste is het aantal werkzame windingen (Nw) nodig.

Formule veerconstante drukveren

C = Veerconstante in N/mm
G = Glijmodulus (Mpa)
d = Draaddikte (mm)
Dm = Diameter veer hart op hart (mm)
Nw = Aantal werkende windingen

Door te spelen met de d, Dm en Nw kan de veer meer of minder sterk worden gemaakt. Een grotere draaddikte maakt de veer sterker, tegenovergestelde voor een dunnere draaddikte. Een grotere diameter maakt de veer zwakker een kleinere draaddiameter maakt de veer sterker. Meer windingen maakt de veer zwakker terwijl minder windingen de veer sterker maakt. Om verder te kijken hoe dit theoretisch werkt, zijn er twee voorbeelden uitgewerkt:

  1. Voorbeeld één: Je gewicht is 85 kilogram (850N) en je wilt dat de veer max 5cm (50mm) inzakt. Dan is een veer nodig met een veerconstante van C = 850/50 = 17 N/mm.
  2. Voorbeeld twee: Je gewicht is 65 kilogram (650N) en je wilt dat de veer max 5cm (50mm) inzakt. Dan is een veer nodig met een veerconstante van C = 650/50 = 13 N/mm.

Met de vorige twee voorbeelden kunnen we de formule invullen om tot een design te komen. De resultaat van de formule is gegeven. Nu is de vraag, welke d, Dm en Nw horen hierbij? (of welke mogelijkheden heb ik)

Schema voorbeelden

Hoe kom ik van een veerconstante van drukveren naar een drukveren design?

De te vinden gegevens zijn:

  1. Drukveer met veerconstante van 17 N/mm.
  2. Drukveer met veerconstante van 13 N/mm.

Als eerste raden we aan om standaard drukveren binnen de parameters te vinden. Om toch tot een custom drukveren design te komen gaan we verder met de berekening van de draaddikte (d), Hart op Hart diameter van de veer (Dm) en het aantal werkende windingen (Nw). Hieronder staan enkele mogelijkheden tot design van de veer. De opties van de parameters van de drukveer kunnen zonder begrenzingen oneindig worden doorberekend.

Om deze formule te herproduceren in Excel, kan het volgende of soortgelijke formule worden neergezet:
=(C2*(C3^4))/(8*(C4^3)*C5)

In deze voorbeelden zie je dat bij optie 1 met de Dm is gespeeld. In optie twee is het aantal werkzame windingen veranderd ect. Probeer het zelf uit met de draaddiameter (d)

Controle op de gevonden drukveer designs.

Er is een veerconstante gevonden van de gewenste veer, het is nu mogelijk om verder te gaan om een veer te designen. De volgende parameters zijn neergezet: De draaddikte, de hart-op-hart diameter en het aantal werkzame windingen. Met deze parameters zijn de volgende parameters te berekenen:

  • De minimaal ongespannen lengte van de veer.
    • De Ln ( maximaal ingedrukte lengte van de veer)
    • De Lc (volledig ingedrukte lengte van de veer)
  • De maximale as-maat voor de veer.
  • De minimale bus-maat voor de veer.

Eerst is er een uitleg wat de parameters zijn en hoe de parameters tot stand komen, hierna pakken we de voorgaande voorbeelden er bij.

De minimale ongespannen lengte van de drukveer berekenen:

Om terug te gaan naar het begin, willen we dat deze veer in ieder geval 50 mm inzakt. De drukveer moet dus minimaal een veerweg van 50 mm hebben. Alleen kunnen we een standaard veer niet indrukken tot aan de grond, omdat de windingen van een drukveer op elkaar vallen (om dit te probleem te ontwijken zijn conische drukveren een oplossing).

De parameter een volledig ingedrukte drukveer heet dan de Lc. Om tot de Lc te komen gebruiken we de volgende berekening:

  • Lc mm = ( d * ( Nw + 2 ) ) *1,0064

Hierbij is de regel. Als we een veer volledig indrukken, is het de draaddikte maal het aantal werkzame windingen samen met twee niet werkzame windingen (Nt) , dit maal een factor van 1,0064. De twee niet werkzame windingen zijn standaard voor geslepen/aangelegde veren.

Alleen een drukveer geheel indrukken totdat de windingen op elkaar liggen geeft de veer een minimale levensduur, de stalen staan namelijk onder veel stres en de windingen wrijven telkens over elkaar heen. Daarom is de maximaal ingedrukte lengte van belang, dit is de Ln.

De Ln berekenen we met:

  • Ln mm = Lc (mm) * 1,15

Een drukveer op de Ln gebruiken raden we niet aan, alleen met gebruik van de veer op Ln de Goodman Chart te gebruiken om de levensduur van de veer te berekenen.

Om tot de minimaal ongespannen lengte van de veer te komen is dan:

  • Minimaal ongespannen lengte = Ln (mm) + Veerweg (mm)

De minimale ongespannen lengte is dan de design lengte die mimimaal moet worden aangehouden voor deze veer. Deze kan worden gebruikt om te controleren bij de toepassing.

Stel namelijk dat de veer 50 millimeter moet worden ingedrukt in een ruimte van 60 millimeter alleen het design van de veer wijst uit dat de minimaal ongespannen lengte van de berekende veer al 65 millimeter is, dan kan het design niet worden toegepast. Is de beschikbare ruimte 70 millimeter, dan kan deze veer worden toegepast met een ongespannen lengte van 70 millimeter, het langer maken van deze veer is geen probleem.

Maximale as-maat van de drukveer berekenen

De as-maat is de parameter van de as die aan de binnenkant van de drukveer is bevestigd. We spreken over een maximale as-maat, wanneer deze groter is, dan de max. schuurt de as tegen de drukveer aan en zal de veer niet werken.

De berekening van de maximale as-maat:

  • As = Dm – (d*2)

Hierbij pakken we de hart op hart diameter van de veer. Daar nemen we de buitenkant van de draad plus nog een veiligheidscorrectie van de veer van af. De veiligheidscorrectie is van belang omdat de windingen van de drukveer een foutmarge (tolerantie) mogen bevatten.

Minimale bus-maat van de drukveer berekenen

De bus-maat is de parameter van de bus die aan de buitenkant van de drukveer is bevestigd. We spreken over een minimale bus-maat, wanneer deze kleiner is, dan de min. schuurt de bus tegen de drukveer aan en zal de veer niet werken.

De berekening van de minimale bus-maat:

  • bus = Dm + (d*2)

Hierbij pakken we de hart op hart diameter van de veer. Daar tellen we de buitenkant van de draad plus nog een veiligheidscorrectie van de veer bij op. De veiligheidscorrectie is van belang omdat de windingen van de drukveer een foutmarge (tolerantie) mogen bevatten.

Controle op design van drukveren voorbeelden:

Er is nog één parameter die niet is uitgelegd maar wel is voorgekomen in de design van de drukveren, de Goodman-chart. Deze geeft aan of de veer überhaupt werkt. Vraag deze aan bij de verenspecialist bij de designs van de veren.

Zodoende komen er vier designs van veren uit de opgegeven kracht (ontelbaar meer designs, maar we houden het bij vier per voorbeeld). Er zijn nog een aantal parameters waar de veer door begrenst wordt.

  • Veerindex
    • Hart op hart (dm) / draaddikte

De veerindex geeft aan hoe moeilijk de veer te produceren is. Vuistregels hierbij zijn 0 - 3.99 verhouding is niet te produceren. 4 – 5 verhouding is lastig te produceren. 6 – 12 perfecte verhouding. 13 – 15 goede verhouding. 15 – 25 verhouding is lastig te produceren. Boven de 25 uitermate lastig te produceren, gaat vaak gepaard met hoge toleranties.

  • Knikindex
    • L0 / hart op hart (dm)

De knikindex geeft aan of de drukveer gaat knikken. Wanneer deze ratio boven de vier uitkomt zal de veer knikken. Om dit te voorkomen raden we aan om drukveren om een as heen te zetten, de veren in een bus plaatsen is ook mogelijk.

Drukveren bestellen

Bij het ontwerp van een drukveer zijn de afmetingen van cruciaal belang voor de veereigenschappen. Maar ontwerpen van drukveren zijn beperkt door de toepassing waar in drukveren worden geplaatst. Het is handiger om het ontwerp zo aan te passen dat er vier of vijf soorten veren als vervanging kunnen dienen.

De verdeling voor ideale drukveren design is: één ideale veer die perfect past, twee sterkere en twee zwakkere alternatieven. Zodoende is er altijd speelruimte. De drukveren kan je bestellen via onze webshop, drukveren op maat laten maken via onze online formulier of via de mail naar sales@tevema.com

Drukveren Drukveren op maat

Geplaatst op 21 december 2021