קפיצים — מדריך ומחשבונים
מדריך ומחשבוני קפיצים: קפיץ לחיצה, מתיחה, פיתול (Torsion), Belleville, חומרים, עייפות, וייצור — עם מחשבוני קפיץ לחיצה ופיתול חיים לפי תקנים מוכרים.
🌀
קפיצים — Springs
סוגים · לחיצה · מתיחה · פיתול · Belleville · חומרים · עייפות · ייצור · תקנים · מחשבונים
🌀 סוגי קפיצים — Spring Types
Compression Spring — קפיץ לחיצה
הנפוץ ביותר
עקרוןכוח מנגד לדחיסה — F = k × δ
צורת קצהOpen · Closed · Closed Ground · Pigtail
פרופילגלילי · חרוטי (Conical) · Barrel · Hourglass
Solid Length LsLs = n_total × d
⚠️ BucklingL/D > 4 → סכנת כיפוף צידי!
שימושיםשסתומים · הגה · מכבשים · מוצרים
▶ YouTubeExtension Spring — קפיץ מתיחה
Initial Tension
עקרוןכוח מנגד למתיחה · Initial Tension Ti
F = Ti + k × δ
קצוותMachine Hook · Full Loop · Half Loop · Crossover
⚠️ נקודת חולשהקצוות Hook! מאמץ ריכוז גבוה
Initial TensionTi = τi × πd³ / (8D) לפי Wahl
שימושיםמנגנוני סגירה · קשתות · גררות
▶ YouTubeTorsion Spring — קפיץ פיתול
מומנטכיפוף!
עקרוןמאמץ כיפוף (לא גזירה!) · T = k_θ × θ
k_θk_θ = E×d⁴ / (10.8×D×n) [N·mm/°]
Winding DirectionRH (Right Hand) · LH — חשוב לכיוון!
⚠️ הידוקD מצטמצם בטעינה → ↑מאמץ
שימושיםציר (Hinge) · ציר אקדח · קלאצ' · מנגנוני בקרה
▶ YouTubeBelleville Washer — קפיץ צלחת
עומס גבוהמרחב קטן
עקרוןפלטה חרוטית שמשוטחת תחת עומס
יתרוןעומס גבוה מאוד / מרחק קטן
סידור מקביל↑↑עומס · ↓סטייה
סידור טורי↑↑סטייה · = עומס
DIN 2093תקן בינלאומי · 3 סדרות A/B/C
שימושיםPreload בורג · חגורת בטיחות · שסתומים
▶ YouTubeLeaf Spring — קפיץ עלים
רכב · כלי רכב
עקרוןקורה Cantilever/Simply Supported
Multi-leafשכבות עלים ← ↑עומס · ↑ריסון
Mono-leafעלה בודד · פחות ריסון · קל יותר
חומרCr-Si (9254) · Cr-V (6150) · Composite GFRP
שימושיםציר אחורי · משאיות · עגלות
▶ YouTubeSpiral / Flat Spring — קפיץ ספיראלי
שעונים · מנגנונים
Power Springאנרגיה מאוחסנת · שעונים · מוצרים
Constant Force Springכוח קבוע לכל הסטייה
Volute Springגלילי-חרוטי · עומסים כבדים
Hair Springשעון · מדויק מאוד · Ni-Span-C
שימושיםשעונים · מגנת · סלינג · מכשור
▶ YouTubeGas Spring — קפיץ גז
N₂ / Oil
עקרוןN₂ דחוס + שמן → כוח אחיד
יתרוןכוח קבוע יותר · ↓מרחב · ↓ריסון
Compressionגז נדחס בדחיסה → ↑כוח
Extensionמושך לאחור — פתיחת מכסה
Force Range50-60,000N · Stroke 25-1000mm
יצרנים: Stabilus · ACE Controls
▶ YouTubeWave Spring — קפיץ גל
↓מרחבSmalley
עקרוןרצועה מתולתלת בצורת גל
יתרון↓50% מרחב vs. Coil Spring
Single Turnסטייה קטנה · Preload
Multi-Turnסטייה גדולה יותר
שימושיםPreload מסבים · מגשי שרשרת · מכשור
יצרן: Smalley Steel Ring
▶ YouTube⬇️ קפיץ לחיצה — Compression Spring Design
פרמטרים גיאומטריים
ISO 10243
d — קוטר חוט0.1-50mm (לפי עומס)
D — קוטר ממוצעD = D_outer - d = D_inner + d
C = D/dאינדקס קפיץ: 4-12 אידיאלי
n — כריכות פעילות3-20 טיפוסי
n_totaln + 2 (Closed Ground קצה)
Ls = d × n_totalאורך מוצק Solid Length
Lf = Ls + δ_max + clearanceאורך חופשי
נוסחאות מאמץ
Wahl Correction
k = G×d⁴/(8×D³×n)קצב קפיץ [N/mm]
Kw = (4C-1)/(4C-4) + 0.615/Cגורם Wahl
τ = Kw × 8FD/(πd³)מאמץ גזירה [MPa]
δ = F/k = 8FD³n/(Gd⁴)סטייה [mm]
τ_static ≤ 45% Sutגבול מאמץ סטטי
τ_fatigue ≤ 35% Sutגבול מאמץ עייפות
Buckling — כיפוף לרוחב
L/D > 4 → סכנה!
תנאי BucklingL₀/D > 2.62 (Free-Free) · >4.0 (Free-Fixed)
פתרונותמדריך פנימי (Arbor) · מדריך חיצוני · Conical
Arbor קוטרDi - 1.0 עד Di - 0.5 mm
Guide I.D.Do + 1.0 עד Do + 0.5 mm
כלל מעשי: L/D ≤ 3 בטוח · 3-4 בדוק Buckling · >4 = השתמש במדריך
▶ YouTubeEnd Types — צורות קצה
4 סוגים
Plain (Open)קצה פתוח · n_dead=0 · פחות יציב
Plain Closedקצה סגור · n_dead=1 ← נגד
Closed Ground ✅סגור + שחוק · n_dead=1 · מישורי!
Pigtailקצה מופחת · מניעת הידוק צידי
Closed Ground = ברירת מחדל לרוב היישומים
ליצרן: ציין "Both ends closed and ground"
▶ YouTubeליצרן: ציין "Both ends closed and ground"
Presetting — הגדרה מוקדמת
↑עמידות
עקרוןלחץ מעל גבול גמישות → מאמץ שארי
תוצאה↑טווח עומס · ↑עמידות עייפות
שיטהלחץ עד Solid → שחרר → Lf קטנה
Shot Peening↑20-40% חיי עייפות
Presetting + Shot Peening = שילוב מומלץ לקפיצי עייפות
▶ YouTubeכללי עיצוב מעשיים
Rules of Thumb
אינדקס C4 ≤ C ≤ 12 (אידיאלי C=6-9)
רוחב כריכהפיסה ≥ 0.1×d בין כריכות בדחיסה מלאה
Deflection max≤ 80% מ-(Lf - Ls) — לא עד Solid
Natural Frequencyfn = (d/πDn²) × √(G/8ρ) → לא תהדהד!
ייצוב ב-60°C+Stress Relax → בחר חומר מתאים
↔️ קפיץ מתיחה — Extension Spring Design
Initial Tension — מתח ראשוני
Ti
עקרוןכריכות צמודות → מתח פנימי מוקדם Ti
F = Ti + k × δכוח כולל
Ti טיפוסיτi = 0.3 × Sut לMusic Wire
LengthL = n×d + 2×r_hook (ללא Pre-tension)
⚠️ Hookנקודת כשל! SCF גבוה בקצה ה-Hook
Hook Types — סוגי קצוות
4 עיקריים
Full Loop (Machine Hook)הנפוץ · SCF גבוה · זול
Half LoopSCF נמוך יותר · חוזק Hook ↑
Extended Hookגישה לחיבור ← קצה ארוך
Crossover Center↓SCF · יקר יותר לייצור
לעייפות: Half Loop מועדף! Crossover = הטוב ביותר
▶ YouTubeSCF ב-Hook — ריכוז מאמץ
⚠️ נקודה קריטית
K_hook = (4R1-d)/(4R1-4d)Wahl בHook
σ_hook = K_hook × 32F×R/(πd³)כיפוף!
גבולσ_hook ≤ 0.5×Sut (עייפות: ≤0.35)
פתרון↑d · ↑R1 · Hook מיוחד
🔄 קפיץ פיתול — Torsion Spring Design
נוסחאות קפיץ פיתול
כיפוף לא גזירה!
k_θ = E×d⁴/(10.8×D×n)קצב [N·mm/°]
T = k_θ × θמומנט [N·mm], θ=[°]
Ki = (4C²-C-1)/(4C(C-1))גורם ריכוז פיתול
σ = Ki × 32T/(πd³)מאמץ כיפוף [MPa]
σ ≤ 0.78×Sutגבול מאמץ סטטי
E=207GPa לפלדה (לא G!) — כי מאמץ כיפוף
שינויי D תחת עומס
חשוב לעיצוב!
RH Winding (סובב CW)D מצטמצם בטעינה
LH Winding (סובב CCW)D מתרחב בטעינה
D_loadedD' = D×n / (n + θ/360°)
Arbor קוטרDi_loaded - 0.5mm לפחות
⚠️ Arbor חייב לאפשר הידוק D בטעינה!
זווית קצה — Leg Angles
מיקום יחסי
0° (Straight)שני קצוות ישרים באותו כיוון
90°רגל אחת ←90° → רגל שניה
180°קצוות מנוגדים — Hinge נפוץ
Body Torsionהקפיץ מחזיק עצמו ← צריך Arbor
ציין ביצרן: "Body: RH · Leg A: 90° · Leg B: straight"
🫸 Belleville Washer — קפיץ צלחת
DIN 2093 — סדרות
A · B · C
Series Ah₀/t ≈ 0.4 · עקומת כוח-נסיגה ליניארית
Series Bh₀/t ≈ 0.75 · מגמה לא ליניארית
Series Ch₀/t ≈ 1.5 · אזור כוח קבוע בשיא
h₀ = tכוח קבוע — אידיאלי ל-Preload!
OD/IDיחס נפוץ: OD/ID ≈ 2.0
סידורי Stack
מקביל × טורי
מקביל (Parallel)↑↑כוח · סטייה = יחידה בודדת
טורי (Series)↑↑סטייה · כוח = יחידה בודדת
מעורבשני מקביל + שני טורי = ×2 כוח ×2 סטייה
⚠️ חיכוךStack ← ↑חיכוך = ↑Hysteresis
שמן/גריז בין Washerים מפחית חיכוך ו-Hysteresis
▶ YouTube🔩 חומרי קפיצים — Spring Materials
Music Wire — EN 10270-1
הנפוץ ביותר
G80 GPa
E207 GPa
τ_max1400-1700 MPa (תלוי d)
Sut2170 MPa ל-d=0.5mm · ↓עם ↑d
T_max120°C — לא לטמפ' גבוהה!
ייצורCold Drawn · Patented · גמיש מאוד
שימושקפיצים כלליים · מוצרים · כלי
Cr-V Steel — 6150 / EN 10270-2
רכב · ביצועים
הרכב0.5%C · 1%Cr · 0.15%V
G80 GPa
τ_max1100-1300 MPa
T_max220°C
יתרון↑עמידות עייפות · ↑קשיות
שימושקפיצי רכב · שסתומים · עומסים גבוהים
Cr-Si Steel — 9254 / Si-Cr
ביטחוני↑↑חוזק
הרכב0.54%C · 1.4%Si · 0.7%Cr
τ_max1200-1450 MPa
T_max250°C
יתרון↑↑חוזק · ↑עמידות Sag
שימושביטחוני · מנועי מטוס · ביצועים גבוהים
SS 302 / 304 — EN 10270-3
קורוזיהמזון · ים
G69 GPa (נמוך מפלדה!)
E193 GPa
τ_max800-1000 MPa
T_max260°C
⚠️ G נמוךk נמוך ב-14% vs. Carbon → חשב מחדש!
שימושקורוזיה · מזון · ים · רפואה
SS 17-7PH — AMS 5678
ביטחוני + SS
G72 GPa
τ_max1100-1300 MPa
T_max315°C
מצבCH900 · RH950 — Precipitation Hardened
שימושביטחוני · תעופה · מחצית מחיר Inconel
Inconel 718 / X-750
T גבוההעד 550°C
G 71877 GPa
G X-75075 GPa
τ_max900-1100 MPa
T_max 718550°C
T_max X-750650°C
שימושמנוע סילון · שסתומי טורבינה · קיצוני
| חומר | G (GPa) | E (GPa) | τ_max (MPa) | T_max (°C) | שימוש |
|---|---|---|---|---|---|
| Music Wire SW | 80 | 207 | 1400-1700 | 120 | כלל שימוש |
| Oil Tempered OT | 80 | 207 | 1000-1300 | 150 | קפיצים גדולים |
| Cr-V 6150 | 80 | 207 | 1100-1300 | 220 | רכב, עומסים |
| Cr-Si 9254 | 80 | 207 | 1200-1450 | 250 | ביטחוני |
| SS 302/304 | 69 | 193 | 800-1000 | 260 | קורוזיה |
| SS 17-7PH | 72 | 203 | 1100-1300 | 315 | ביטחוני+SS |
| Inconel 718 | 77 | 200 | 900-1100 | 550 | T גבוהה |
| Phosphor Bronze | 44 | 110 | 600-800 | 95 | חשמל |
| Beryllium Cu | 48 | 131 | 900-1100 | 200 | מוליכות מקס׳ |
📊 עייפות קפיצים — Spring Fatigue
Goodman Line — קפיצים
Modified Goodman
τ_a/S_e + τ_m/S_ut = 1/SF— קו Goodman
τ_aאמפליטודת מאמץ = (τ_max-τ_min)/2
τ_mמאמץ ממוצע = (τ_max+τ_min)/2
S_e קפיצים0.45×Sut (Shear endurance, R=-1)
SF מינימום1.3 כללי · 1.5 ביטחוני
Goodman: Zimmerli Line לקפיצי פלדה:
τ_a = 241 MPa (Music Wire, corrected)
τ_a = 241 MPa (Music Wire, corrected)
Zimmerli / Wahl Fatigue Lines
ספציפי לקפיצים
Music Wire (Shear)τ_a = 338 MPa (R=0) · 241 MPa (corrected)
Hardened Alloyτ_a = 310 MPa (R=0)
SS 302τ_a = 207 MPa (R=0)
Non-Ferrousτ_a = 186 MPa (R=0)
10⁷ cycles · Not Shot Peened. Shot Peened: ×1.3
Stress Relaxation — שחרור מאמץ
Sag בטמפ׳
תופעהקפיץ מאבד אורך בטמפ׳ + עומס קבוע
Music Wire >70°C↑↑Sag — לא מתאים!
Cr-Si <250°C≤2% Sag — מקובל
Inconel 718 <500°C≤1% Sag — מעולה
מניעהPresetting · חומר מתאים · ↓τ_max
▶ YouTubeShot Peening לקפיצים
↑↑עמידות
עקרוןמאמץ דחיסה בשכבה חיצונית → מנגד לסדק
שיפור↑20-40% חיי עייפות
Almen StripA/N/C — כיוון עוצמה
Peening MediaSteel Shot S110-S330 · Glass Bead
AMS 2430תקן Shot Peening לתעופה
Presetting לאחר Shot Peening = שילוב מיטבי!
▶ YouTube🏭 ייצור ואיכות — Spring Manufacturing
Cold Coiling — כריכה קרה
עד d=16mm
תהליךחוט ← גלגול · כריכה · חיתוך
CNC Coilingמחשב שולט ← כל פרמטר · דיוק ↑↑
Stress Relief150-250°C · 20-30 min · חובה!
דיוקk: ±10% (כללי) · ±5% (בחירה) · ±2% (ספציפי)
תמיד ציין Stress Relief ב-Drawing!
▶ YouTubeHot Coiling — כריכה חמה
d > 16mm
טמפ' עבודה900-1100°C
תהליךחימום ← כריכה חמה ← Q&T
חומריםCr-Si · Cr-V · En45/46
שימושקפיצי משאיות · לחץ כבד
דיוק±5% Lf · ±10% k
▶ YouTubeGrinding — שחיקת קצוות
Closed Ground
מטרהקצה מישורי ← שיקרוי מדויק ← ↑יציבות
סקואריות≤1.5°/mm קוטר (DIN 2095)
שחוק קצהמינימום 3/4 כריכה
⚠️ חום שחיקה↑טמפ' = ↓Sut! צינון קפדני
▶ YouTubeDIN 2095 / 2096 — תקן כריכה
טבלאות SN
DIN 2095Static/Quasi-Static — כוח סטטי
DIN 2096Dynamic — מאמץ מחזורי
d=2mm DIN 2095490-640 N/mm²
d=2mm DIN 2096610-760 N/mm²
↑d → ↓Sut (Sut מתמעט עם עובי חוט)
ציפויים לקפיצים
קורוזיה · מראה
Zinc Phosphateבסיס לצבע · לא לחשיפה
Hot Dip Zinc⚠️ סכנת HE! לא לקפיצים!
Cadmium (אסור EU)הוחלף ב-Zinc-Nickel
Zinc-Nickelממחליף Cadmium · תעופה · ±200h SS
PTFE Coating↓חיכוך · עמיד כימי · לא מוליך
E-Coatצבע אלקטרופורטי · 500h SS · רכב
⚠️ Hydrogen Embrittlement! מחיצה לאחר ציפוי חשמלי!
🏆 תקנים ויצרנים — Standards & Manufacturers
תקנים בינלאומיים
ISO · DIN · EN
ISO 10243Compression Springs — ממדים
ISO 2162Spring Drawing Standards
DIN 2095Cold Coiled Compression — Static
DIN 2096Cold Coiled Compression — Dynamic
DIN 2097Extension Springs
DIN 2093Belleville Washers
EN 10270Spring Steel Wire — Part 1/2/3
Associated Spring — Barnes
מוביל עולמי
חברהBarnes Group · SPEC Engineering Springs
קטלוגStandard Springs Catalog — מיליוני פריטים
כליםSpring Design Software — SPEC
Lesjöfors · Mubea · Lee Spring
אירופה · עולמי
Lesjöforsשוודיה · Standard + Custom · Europe
Mubeaגרמניה · Disc Springs · Automotive
Lee Springארה"ב · קטלוג ענק · ISO 9001
Century Springארה"ב · Standard Catalog
ספקים בישראל 🇮🇱
מקומי
קפיצי ישראלייצור מקומי · Custom · Standard
אבנר-גלקפיצים + מוצרי קפיץ
טלסקופקפיצי גז · Stabilus Israel
יבואAssociated Spring · Lee Spring — זמין
תוכנות עיצוב קפיצים
CAD · FEA
SpringulatorLee Spring — חינמי · מקוון
SPEC (Barnes)Associated Spring — מקצועי
KISSsoftמנגנון קפיצים מלא + FEA
ANSYS MechanicalFEA — ניתוח עייפות מלא
🧮 מחשבוני קפיצים
מחשבון קפיץ לחיצה / מתיחה
—
מחשבון קפיץ פיתול
—