什麼是扭力彈簧計算器?
扭力彈簧在繞軸扭轉時會儲存能量,並產生與扭轉角度成正比的扭矩。本計算器可求出扭轉彈簧係數——也就是彈簧每旋轉一整圈(一圈角度繞捲)所產生的扭矩。它適用於圓線螺旋扭力彈簧,且不限定特定單位制,只要單位保持一致即可(E 以 MPa、尺寸以 mm 代入,所得係數即為 N·mm/圈)。
如何使用
請依序輸入線材的彈性模數 \(E\)(琴鋼線/鋼材約 207,000 MPa)、線徑 \(d\)、平均線圈直徑 \(D\)(外徑減去線徑),以及有效圈數 \(Na\)。計算器會回傳每圈的彈簧係數,以及換算後每旋轉一度的扭矩。
公式解析
扭轉彈簧係數的公式為:
$$k = \dfrac{\text{E} \cdot \text{d}^{4}}{10.8 \cdot \text{D} \cdot \text{Na}}$$線徑以四次方影響結果,因此 \(d\) 的微小變化就會大幅改變剛性。式中常數 10.8(而非理論值 10.2)納入了經驗修正,用以反映線圈間的摩擦與繞捲線材曲率的影響,能得到更貼近實際的數值。
實例計算
以鋼線為例,\(E = 207{,}000\) MPa、\(d = 2\) mm、\(D = 20\) mm、\(Na = 5\) 圈:
$$k = \frac{207{,}000 \times 2^{4}}{10.8 \times 20 \times 5} = \frac{207{,}000 \times 16}{1{,}080} = \frac{3{,}312{,}000}{1{,}080} \approx 3{,}066.67 \ \text{N}\cdot\text{mm/圈}$$再除以 360,可得約 8.52 N·mm/度。
常見問題
計算結果使用什麼單位?若 \(E\) 以 MPa(N/mm²)代入、所有尺寸皆以 mm 為單位,則彈簧係數的單位為 N·mm/圈(每旋轉一圈)。
E 該取什麼數值?請使用抗拉/彈性模數:鋼材與琴鋼線約 207,000 MPa,磷青銅約 131,000 MPa,不鏽鋼約 110,000 MPa,實際數值依合金種類而異。
為什麼用 10.8 而非 10.2?10.8 是扭力彈簧常用的經驗常數,用以補償線圈間的摩擦;純理論值則較接近 10.2。