Ελατήρια Μπαλάνης

Τα ελατήρια πιέσεως είναι ελικοειδή ελατήρια με ανοιχτές σπείρες που δέχονται φορτίο κατά μήκος του άξονά τους και το αντιστέκονται συμπιεζόμενα. Όταν το φορτίο αφαιρεθεί, επιστρέφουν στο ελεύθερο μήκος τους. Είναι ο πιο διαδεδομένος τύπος ελατηρίου και τον συναντάτε από βαλβίδες και αντλίες μέχρι γεωργικά μηχανήματα και καλούπια. Στο εργοστάσιό μας στον Ασπρόπυργο κατασκευάζουμε ελατήρια πιέσεως από σύρμα 0,25 mm έως 35 mm, από ένα τεμάχιο έως σειρές παραγωγής.

Σε αυτό το άρθρο εξηγούμε πώς λειτουργεί ένα ελατήριο πιέσεως, ποιες γεωμετρίες και υλικά υπάρχουν, πού χρησιμοποιούνται, γιατί αστοχούν και τι πρέπει να μετρήσετε για να παραγγείλετε το σωστό ελατήριο.

Πώς λειτουργεί ένα ελατήριο πιέσεως

Η λειτουργία βασίζεται στον νόμο του Hooke: η δύναμη που ασκεί το ελατήριο είναι ανάλογη με τη συμπίεσή του. Ο συντελεστής αυτής της αναλογίας είναι η σταθερά ελατηρίου, δηλαδή πόση δύναμη χρειάζεται για να κοντύνει το ελατήριο κατά μία μονάδα μήκους. Μεγάλη σταθερά σημαίνει σκληρό ελατήριο, μικρή σταθερά σημαίνει μαλακό ελατήριο που υποχωρεί εύκολα.

Η σταθερά εξαρτάται από τη διάμετρο του σύρματος, τη μέση διάμετρο των σπειρών, το υλικό και τον αριθμό των ενεργών σπειρών. Ενεργές είναι οι σπείρες που πραγματικά παραμορφώνονται. Οι ακραίες σπείρες που ακουμπούν στην έδρα δεν συμμετέχουν.

Τα άκρα μπορούν να είναι τροχισμένα, ώστε το ελατήριο να στέκεται κάθετα και να μοιράζει ομοιόμορφα το φορτίο, ή ατρόχιστα, όταν η εφαρμογή δεν το απαιτεί. Ο δείκτης ελατηρίου, δηλαδή ο λόγος της μέσης διαμέτρου προς τη διάμετρο σύρματος, δείχνει πόσο εύκολα περιελίσσεται και πόσο καταπονείται το σύρμα.

Γεωμετρίες ελατηρίων πιέσεως

Το κυλινδρικό ελατήριο με σταθερό βήμα είναι η βασική μορφή και καλύπτει τις περισσότερες εφαρμογές. Υπάρχουν όμως και άλλες γεωμετρίες που λύνουν συγκεκριμένα προβλήματα:

• Κωνικά: η διάμετρος μειώνεται προς το ένα άκρο. Οι σπείρες μπαίνουν η μία μέσα στην άλλη και το ελατήριο συμπιέζεται σε πολύ μικρό ύψος, με προοδευτική σκληρότητα.
• Διπλοκωνικά: στενεύουν και στα δύο άκρα. Στέκονται σταθερά και αντέχουν σε πλευρικές ροπές.
• Μεταβλητού βήματος: οι σπείρες έχουν διαφορετική απόσταση μεταξύ τους, ώστε η σταθερά να αυξάνεται όσο συμπιέζεται το ελατήριο.
• Σχήμα αυγού (βαρελοειδή): φαρδαίνουν στο μέσο, χρήσιμα όταν το ελατήριο πρέπει να αποφύγει τον λυγισμό σε μεγάλα μήκη.

Κατασκευάζουμε όλες αυτές τις γεωμετρίες, με σχεδιασμό σε εξειδικευμένο λογισμικό ώστε η συμπεριφορά του ελατηρίου να υπολογίζεται πριν από την παραγωγή. Για διατομές από 35 έως 60 mm συνεργαζόμαστε με εργοστάσια του εξωτερικού.

Από ποια υλικά κατασκευάζονται

Το υλικό καθορίζει την αντοχή, τη διάρκεια ζωής και τη συμπεριφορά του ελατηρίου στο περιβάλλον εργασίας. Τα βασικά υλικά που χρησιμοποιούμε είναι:

• Χάλυβας ελατηρίων EN 10270: η συνηθισμένη επιλογή για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, με υψηλή αντοχή σε κόπωση.
• Ανοξείδωτος χάλυβας INOX AISI 302: για υγρασία, τρόφιμα, θάλασσα και χημικά περιβάλλοντα.
• Χάλυβας 51CrV4: για βαριά φορτία και υψηλές τάσεις.
• Φωσφορούχος ορείχαλκος: όταν χρειάζεται αγωγιμότητα ή μη μαγνητικό υλικό.
• Σίδηρος: για απλές μορφές με χαμηλές απαιτήσεις, όπου δεν χρειάζεται επαναλαμβανόμενη ελαστική παραμόρφωση.

Μετά την περιέλιξη κάθε ελατήριο περνά από θερμική κατεργασία για απόσβεση των τάσεων που δημιουργούνται στο σύρμα. Την κάνουμε αποκλειστικά στις εγκαταστάσεις μας και συνοδεύουμε κάθε κατασκευή με πιστοποιητικά υλικών. Αναλυτικά για τις ιδιότητες κάθε υλικού μπορείτε να διαβάσετε στο άρθρο από τι υλικό φτιάχνονται τα ελατήρια.

Πού χρησιμοποιούνται τα ελατήρια πιέσεως

Το ελατήριο πιέσεως εμφανίζεται σχεδόν σε κάθε μηχανισμό που χρειάζεται επαναφορά, απόσβεση ή σταθερή πίεση. Οι πιο συνηθισμένες εφαρμογές που εξυπηρετούμε είναι:

• Βιομηχανία: μηχανές παραγωγής, συσκευασίας και μεταφοράς, όπου το ελατήριο κρατά πίεση ή επαναφέρει έναν μηχανισμό.
• Βαλβίδες και αντλίες: το ελατήριο κλείνει τη βαλβίδα και ρυθμίζει την πίεση λειτουργίας.
• Γεωργικά μηχανήματα: ελατήρια καλλιεργητή, διαλογής ελαιών και άλλων εργαλείων που δουλεύουν με χώμα, σκόνη και κραδασμούς. Δείτε τα ελατήρια καλλιεργητή.
• Ηλεκτρολογικές διατάξεις: επαφές, διακόπτες και ασφάλειες, συχνά από φωσφορούχο ορείχαλκο.
• Ιατρικός εξοπλισμός: μικρές διατομές, συνήθως σε ανοξείδωτο χάλυβα.
• Καλούπια: ελατήρια εξολκέων και πλακών που δέχονται εκατομμύρια κύκλους σε υψηλή θερμοκρασία.

Επειδή οι απαιτήσεις διαφέρουν, δεν υπάρχει ένα «γενικό» ελατήριο. Το σωστό ελατήριο σχεδιάζεται για τη συγκεκριμένη θέση, το φορτίο, τους κύκλους λειτουργίας και το περιβάλλον.

Γιατί αστοχούν τα ελατήρια πιέσεως

Ένα ελατήριο σπάνια σπάει από τη μία στιγμή στην άλλη. Συνήθως υπάρχει αιτία που μπορεί να προβλεφθεί στον σχεδιασμό:

• Κόπωση υλικού: με κάθε κύκλο συμπίεσης το σύρμα καταπονείται. Αν η τάση λειτουργίας είναι υψηλή σε σχέση με το υλικό, εμφανίζεται ρωγμή και τελικά θραύση.
• Υπερφόρτωση: όταν το ελατήριο συμπιέζεται πέρα από το όριο ελαστικότητας, παραμορφώνεται μόνιμα, «κάθεται» και χάνει μήκος και δύναμη.
• Διάβρωση: υγρασία, χημικά και θαλασσινό περιβάλλον προσβάλλουν το σύρμα. Οι εστίες σκουριάς γίνονται σημεία έναρξης ρωγμών.
• Λυγισμός: μακριά και λεπτά ελατήρια χωρίς οδηγό ή πείρο λυγίζουν πλευρικά αντί να συμπιεστούν ευθύγραμμα.
• Κακή θερμική κατεργασία: αν δεν αποσβεστούν οι τάσεις μετά την περιέλιξη, το ελατήριο δεν κρατά τις διαστάσεις του.

Όταν μας φέρνετε ένα σπασμένο ελατήριο, εξετάζουμε πού και πώς έσπασε. Έτσι το αντικαθιστούμε με ελατήριο που δεν θα επαναλάβει το ίδιο πρόβλημα, αλλάζοντας υλικό, διατομή ή γεωμετρία όπου χρειάζεται.

Πώς μετράτε και παραγγέλνετε ένα ελατήριο πιέσεως

Για να κατασκευάσουμε ή να αντικαταστήσουμε ένα ελατήριο πιέσεως χρειαζόμαστε τέσσερα βασικά μεγέθη:

1. Διάμετρος σύρματος: μετριέται με παχύμετρο πάνω στη σπείρα.
2. Εξωτερική διάμετρος: η μεγαλύτερη διάσταση του ελατηρίου κάθετα στον άξονα.
3. Ελεύθερο μήκος: το μήκος χωρίς φορτίο.
4. Αριθμός σπειρών: συνολικές σπείρες από άκρο σε άκρο.

Χρήσιμο είναι να μας πείτε και τον τύπο των άκρων, το υλικό αν το γνωρίζετε, καθώς και το περιβάλλον και το φορτίο λειτουργίας. Οδηγίες βήμα προς βήμα θα βρείτε στο άρθρο πώς να μετρήσετε ένα ελατήριο.

Αν δεν μπορείτε να μετρήσετε, στείλτε μας το δείγμα, ακόμα και φθαρμένο ή σπασμένο. Το αποτυπώνουμε στο εργοστάσιο και το αναπαράγουμε. Μπορείτε να συμπληρώσετε τη φόρμα παραγγελίας ελατηρίου πιέσεως ή να μας καλέσετε στον Ασπρόπυργο στο 210 557 0975 και στο υποκατάστημα στο Μεταξουργείο στο 210 524 7562.

Συχνές ερωτήσεις

Τα ελατήρια έλξεως είναι ελικοειδή ελατήρια με κλειστές σπείρες που δουλεύουν όταν τα τραβάτε από τα δύο άκρα. Σε αντίθεση με τα ελατήρια πιέσεως, δεν έχουν κενό ανάμεσα στις σπείρες και φέρουν γάντζους ή θηλιές για να αγκιστρώνονται στον μηχανισμό. Όσο τα επιμηκύνετε, τόσο μεγαλύτερη δύναμη ασκούν για να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Στο εργοστάσιό μας στον Ασπρόπυργο κατασκευάζουμε ελατήρια έλξεως από σύρμα 0,25 mm έως 25 mm, με γάντζους κάθε μορφής.

Παρακάτω εξηγούμε πώς λειτουργεί η προένταση, ποιοι τύποι γάντζων υπάρχουν και γιατί εκεί σπάνε συνήθως τα ελατήρια, σε ποιες εφαρμογές τα συναντάτε και τι ακριβώς πρέπει να μετρήσετε για να παραγγείλετε το σωστό.

Πώς λειτουργεί ένα ελατήριο έλξεως

Το ελατήριο έλξεως ακολουθεί και αυτό τον νόμο του Hooke: η δύναμη επαναφοράς είναι ανάλογη με την επιμήκυνση. Η σταθερά ελατηρίου δείχνει πόση δύναμη χρειάζεται για κάθε μονάδα επιμήκυνσης και εξαρτάται από τη διάμετρο σύρματος, τη μέση διάμετρο, το υλικό και τον αριθμό των ενεργών σπειρών.

Η βασική διαφορά από τα ελατήρια πιέσεως είναι η προένταση. Κατά την περιέλιξη οι σπείρες τυλίγονται σφιχτά, η μία πάνω στην άλλη, ώστε να πιέζονται μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι το ελατήριο δεν ανοίγει με το παραμικρό φορτίο. Χρειάζεται πρώτα μια αρχική δύναμη που υπερνικά την προένταση και μετά αρχίζει η επιμήκυνση.

Η προένταση ρυθμίζεται στην παραγωγή και είναι σημαντικό στοιχείο σχεδιασμού. Σε μηχανισμούς που πρέπει να μένουν τεντωμένοι, όπως ρολά ή πόρτες, η προένταση κρατά το σύστημα σε θέση χωρίς τζόγο. Μετά την περιέλιξη το ελατήριο περνά από θερμική κατεργασία για απόσβεση των τάσεων, ώστε να διατηρήσει την προένταση και τις διαστάσεις του.

Τύποι γάντζων και γιατί είναι το αδύναμο σημείο

Ο γάντζος μεταφέρει ολόκληρο το φορτίο από τον μηχανισμό στο σώμα του ελατηρίου. Στο σημείο όπου το σύρμα κάμπτεται για να σχηματίσει τον γάντζο, η τάση είναι μεγαλύτερη από ό,τι στις σπείρες. Γι’ αυτό τα περισσότερα ελατήρια έλξεως σπάνε στη βάση του γάντζου και όχι στο σώμα.

Οι τύποι που κατασκευάζουμε:

• Γερμανικοί γάντζοι: η τελευταία σπείρα σηκώνεται κάθετα και σχηματίζει πλήρη θηλιά στο κέντρο του άξονα. Η πιο συνηθισμένη επιλογή.
• Αγγλικοί γάντζοι: η θηλιά είναι ανοιχτή και συνεχίζει την καμπύλη της σπείρας, εύκολη στην τοποθέτηση σε πείρους.
• Εφαπτόμενοι γάντζοι: η σπείρα σηκώνεται εφαπτομενικά προς τα έξω, χωρίς να περνά από το κέντρο.
• Ειδικοί γάντζοι: επιμηκυμένοι, με σπειροειδή απόληξη, με διπλή θηλιά ή διαμορφωμένοι κατά σχέδιο.

Όταν το φορτίο είναι μεγάλο ή οι κύκλοι πολλοί, επιλέγουμε γάντζο με μεγαλύτερη ακτίνα κάμψης, ώστε να μειωθεί η συγκέντρωση τάσεων.

Υλικά ελατηρίων έλξεως

Το υλικό επιλέγεται με βάση το φορτίο, τους κύκλους και το περιβάλλον λειτουργίας:

• Χάλυβας ελατηρίων EN 10270: η βασική επιλογή για βιομηχανικές και γενικές εφαρμογές, με πολύ καλή αντοχή σε κόπωση.
• Ανοξείδωτος χάλυβας INOX AISI 302: για υγρασία, εξωτερικούς χώρους, τρόφιμα, θάλασσα και χημικά.
• Χάλυβας 51CrV4: για βαριά φορτία και υψηλές τάσεις, όπως σε γκαραζόπορτες και γεωργικά μηχανήματα.
• Φωσφορούχος ορείχαλκος: για ηλεκτρική αγωγιμότητα ή όταν απαιτείται μη μαγνητικό υλικό.
• Σίδηρος: για απλές, χαμηλής καταπόνησης μορφές.

Η θερμική κατεργασία μετά την περιέλιξη γίνεται αποκλειστικά στις εγκαταστάσεις μας. Είναι απαραίτητη σε όλα τα ελατήρια έλξεως, γιατί οι κλειστές σπείρες συσσωρεύουν τάσεις κατά το τύλιγμα. Χωρίς αυτήν η προένταση χάνεται με τον χρόνο. Κάθε παρτίδα συνοδεύεται από πιστοποιητικά υλικών. Περισσότερα για τα υλικά θα βρείτε στο άρθρο από τι υλικό φτιάχνονται τα ελατήρια.

Πού χρησιμοποιούνται τα ελατήρια έλξεως

Το ελατήριο έλξεως επιλέγεται όπου δύο σημεία πρέπει να τραβιούνται το ένα προς το άλλο ή ένας μηχανισμός πρέπει να επιστρέφει στη θέση του. Οι πιο συνηθισμένες εφαρμογές που εξυπηρετούμε:

• Γκαραζόπορτες: τα ελατήρια αντισταθμίζουν το βάρος του φύλλου. Δείτε τα ελατήρια γκαραζόπορτας.
• Ρολά: ρολά καταστημάτων και αποθηκών, όπου το ελατήριο βοηθά στο άνοιγμα και το κλείσιμο.
• Γεωργικά μηχανήματα: επαναφορά εργαλείων, τεντωτήρες ιμάντων και αλυσίδων.
• Ζυγαριές: το μήκος επιμήκυνσης μετατρέπεται σε ένδειξη βάρους.
• Μηχανισμοί πορτών: επαναφορά σε πόρτες, πορτάκια και καπάκια.
• Τραμπολίνα: δεκάδες ελατήρια τεντώνουν το πανί και απορροφούν τα άλματα.
• Όργανα γυμναστικής: αντίσταση σε μηχανήματα και όργανα ασκήσεων.

Σε πολλές από αυτές τις χρήσεις το ελατήριο λειτουργεί ως ελατήριο επαναφοράς, δηλαδή επιστρέφει τον μηχανισμό στην αρχική θέση όταν σταματήσει η εξωτερική δύναμη.

Πώς μετράτε ένα ελατήριο έλξεως

Για την κατασκευή ή την αντικατάσταση ενός ελατηρίου έλξεως χρειαζόμαστε τα εξής μεγέθη:

1. Διάμετρος σύρματος: με παχύμετρο πάνω σε μία σπείρα.
2. Εξωτερική διάμετρος: η μεγαλύτερη διάσταση του σώματος κάθετα στον άξονα.
3. Μήκος σώματος: από την πρώτη έως την τελευταία σπείρα, χωρίς τους γάντζους.
4. Συνολικό μήκος: από το εσωτερικό του ενός γάντζου έως το εσωτερικό του άλλου.
5. Αριθμός σπειρών: οι σπείρες του σώματος.
6. Τύπος και γωνία γάντζων: γερμανικός, αγγλικός, εφαπτόμενος ή ειδικός, και αν οι δύο γάντζοι βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο ή σε γωνία μεταξύ τους.

Μετράτε πάντα το ελατήριο χωρίς φορτίο. Αν το ελατήριο έχει τεντωθεί μόνιμα, το μήκος σώματος δεν είναι αξιόπιστο, οπότε είναι καλύτερα να μας στείλετε το δείγμα. Αναλυτικές οδηγίες θα βρείτε στο άρθρο πώς να μετρήσετε ένα ελατήριο.

Πώς αστοχούν και πώς παραγγέλνετε

Οι συνηθισμένες αιτίες αστοχίας σε ένα ελατήριο έλξεως είναι:

• Θραύση στον γάντζο: από συγκέντρωση τάσεων στην κάμψη, ιδίως όταν ο γάντζος φορτίζεται πλάγια.
• Κόπωση υλικού: μετά από πολλούς κύκλους επιμήκυνσης το σύρμα ραγίζει, συνήθως κοντά στα άκρα.
• Μόνιμη επιμήκυνση: όταν το ελατήριο τεντωθεί πέρα από το όριο ελαστικότητας, χάνει την προένταση και δεν κλείνει πλήρως.
• Διάβρωση: σκουριά σε εξωτερικούς ή υγρούς χώρους, που γίνεται σημείο έναρξης ρωγμής.

Σε κάθε περίπτωση, το σπασμένο δείγμα μάς δείχνει την αιτία και επιλέγουμε υλικό, διατομή και γάντζο ώστε να μην επαναληφθεί.

Για παραγγελία στείλτε μας τις διαστάσεις ή το δείγμα, ακόμα και φθαρμένο ή σπασμένο. Δουλεύουμε από ένα τεμάχιο έως σειρές παραγωγής. Συμπληρώστε τη φόρμα παραγγελίας ελατηρίου έλξεως ή καλέστε μας στο εργοστάσιο στον Ασπρόπυργο στο 210 557 0975 και στο υποκατάστημα στο Μεταξουργείο στο 210 524 7562. Στέλνουμε σε όλη την Ελλάδα.

Συχνές ερωτήσεις