Пружины и упругие элементы используют в конструкциях в качестве виброизолирующих, амортизирующих, аккумулирующих, натяжных, динамометрических и других устройств.

Классификация пружин: По виду воспринимаемой нагрузки различают:пружины растяжения, сжатия, кручения и изгиба.

По геометрической форме их называют: винтовыми, спиральными, прямыми и др.

В зависимости от назначения пружины бывают: силовыми (аккумуляторы энергии или движители), измерительными (упругие чувствительные элементы), амортизирующими и т. д.

В машиностроении наиболее распространены

винтовые цилиндрические пружины растяжения , сжатия и кручения .

Реже применяют специальные пружины:

тарельчатые и кольцевые – сжатия,

спиральные и стержневые- кручения; листовые (рессоры) . пружины а - растяжения; б - сжатия; в - кручения; г - фасонные

а - тарельчатая; б- кольцевая; в - спиральная; г - стержневая; д - рессора

Общая характеристика пружин.

Пружины растяжения навивают без просветов между витками с начальным надавливанием витков, компенсирующим частично внешнюю нагрузку. Компенсирующее усилие составляет (0,25...0,3) F np ,

где F np - предельное растягивающее усилие.

Для передачи внешней нагрузки пружины (диаметра до 3…4 мм) снабжают зацепами в форме отогнутых последних витков. Для ответственных пружин диаметром свыше 4 мм часто применяют закладные зацепы, но они менее технологичны.

Пружины сжатия навивают с просветом между витками, который должен на 10...20 % превышать осевые упругие перемещения каждого витка при наибольшей внешней нагрузке.

Пружины кручения навивают обычно с малым углом подъема и небольшими зазорами между витками (0,5 мм). Внешнюю нагрузку они воспри­нимают с помощью зацепов, образуемых отгибом концевых витков.

164 Основные параметры витых пружин. Материалы.

d - диаметр проволоки;

Do средний диаметр;

Индекс c = Do / d ;

n - число рабочих витков;

Длина рабочей части -H 0 ; шаг витков- t = Ho / h ;

Индекс пружины характеризует кривизну витка. Пружины с индексом С  3 применять не рекомендуется из-за высокой концентрации напряжений в витках. Его выбирают в зависимости от диаметра проволоки.

Основными материалами пружин являются высокопрочная специальная пружинная проволока, высокоуглеродистые стали, марганцовистая сталь, кремнистая сталь, хромованадиевая сталь и др.

Для работы в химически активной среде пружины изготовляют из цветных сплавов.

165 Расчет цилиндрических пружин

Напряжения в сечениях и деформации витков.

Под действием осевой растягивающей силы F в поперечном сечении пружины будет действовать поперечная сила F и момент М z = FDo /2 , плоскость которого совпадает с плоскостью пары сил F . Нормальное поперечное сечение витка наклонено к плоскости момента на угол а .

Проекции силы F на оси х , у и z и момент T равны:

Условие прочностной надежности пружины:

- максимальное касательное напряжение в сечении

где k - коэффициент, учитывающий кривизны витков; []- допускаемое касательное напряжение.

W к - момент сопротивления сечения витка.

Для проволоки круглого поперечного сечения

Осевое перемещение пружины:

где - осевая податливость пружины.

Где - осевая податливость одного витка

Тогда Здесь G - модуль сдвига; Е - модуль упругости материала пружины

Диаметр проволоки , обеспечивающий необходимую прочность пружине

с заданным индексом с :

Если пружина сжатия установлена с предварительной затяжкой (нагрузкой) F 1 , то В зависимости от назначения пружины усилие F 1 =(0,1 - 0,5) F 2 . Число витков округляют до полувитка при n  20 ; и до одного витка при n > 20.

Полное число витков n 1 = n + (1,5...2). 1,5...2 витка идут на создание опорных поверхностей.

Полная длина ненагруженной пружины: При больших нагрузках и ограниченных габаритах используют составные пружины сжатия, навивку соседних пружин выполняют в противоположных направлениях (левом и правом).

Для предотвращения выпучивания пружины от потери устойчивости при больших значениях Ho / Do пружину следует ставить на оправках или монтировать в гильзах.

Пружинящие элементы представляют из себя упругие изделия, особенностью которых является самостоятельное восстановление первоначальной формы после воздействия на них нагрузок, приводящих к деформации. Для производства пружин применяют различные материалы: твердые материалы (рессоры из металла), газообразные (воздух в шинах транспортных средств) и гидравлические (масляные амортизаторы). Однако, когда речь идет о пружинах, то чаще всего подразумеваются изделия из твердых материалов, преимущественно различных металлов и сплавов - латуни, различных сталей, бронзы. Однако в некоторых случаях применяются и пружины из специальных сплавов, армированных пластмасс, резины.

Самыми распространенными пружинами являются винтовые или, как их еще называют, витые. Так же пружины делятся на несколько типов: плоские пружины (пластинчатые), спиральные и тарельчатые . Плоские пружины чаще всего используются в подвесках автомобилей, например, в качестве рессор. В качестве примера применения спиральные пружин, имеющих вид плоской ленты, свернутой по спирали, можно назвать их использование в заводных механизмах часов. Тарельчатые пружины состоят из одного или нескольких дисков из металла, где силы с разными направлениями векторов воздействуют от самой большой тарелки в направлении центра пружины. В качестве примера тарельчатой пружины можно привести такую деталь, как контрящая шайба. Принцип ее работы заключается в том, что будучи прижатой к деталям крепления, она не дает им сместиться за счет того, что стремиться к распрямлению.

Пружина — деталь

Самым общим определением для пружин может послужить следующее утверждение: пружина - это деталь, подвергающаяся упругой деформации и под действием этих внешних сил накапливает энергию, которая затем расходуется при ее распрямлении. Главными функциями пружин можно назвать поддержание крепежных деталей в рамках заданного расстояния и передачи и контроле движения. Благодаря своим механическим свойствам пружины нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленности и хозяйства. Способ движения пружин описал английский физик Р. Гук (1635 – 1703), в честь которого данный закон и был назван. Согласно этому закону, деформация пружины и сила, ее вызывающая, прямо пропорциональны. Соответственно, чем большая сила была приложена, тем больше пружина подвергается деформации.

Закон Гука

Однако закон Гука справедлив только до тех пор, пока не превышен предел текучести, текучестью по закону Гука называется максимально допустимый уровень напряжения, после превышения которого разрушается молекулярная структура материала. После превышения предела текучести деформация становится необратимой и наступает разрушение изделия. Однако, в связи с тем, что многие пружины изготавливаются из таких материалов, которые определенного предела не имеют, к ним применяется такой термин, как «условный предел текучести».

Все пружины, в соответствии с требованиями ГОСТа должны пройти проверку на динамическую нагрузку. Такие испытания подразделяются на следующие виды: проверка пружин на ударную нагрузку; проверка пружин на многократно-повторную нагрузку.

Под процессом навивки пружин принято понимать процедуру, при которой стальному прутку или пружинной проволоке придается форма пружины. Навивка пружин может быть двух видов: холодная навивка пружин, горячая навивка пружин.

Особенности изготовления и виды пружин растяжения

Что же такое пружина?

Отзывы строителей о крепеже бруса на узел сила

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ВИНТОВЫХ ПРУЖИН СЖАТИЯ

Методология расчета пружины сжатия.

Жесткость (Зависимость деформации от нагрузки)

Для винтовых пружин сжатия деформация пропорциональна нагрузке (силе воздействия). Это характерно для большинства видов пружин. Это означает, что кривая зависимости изгиба от нагрузки в большинстве случаев имеет вид прямой, как видно на графике

Пружины из сейчас в завтра

Волнистые пружины с зазором и перекрытием

Область применения обычных волновых пружин с зазором и с перекрытием очень широка. Одновитковые Волновые пружины сжатия с перекрытием и с зазором превосходно заменяют штампованные одновитковые пружинные шайбы. Стандартные Волновые пружины сжатия с перекрытием и с зазором используются во множестве сфер применения. Для небольших деформаций, низких и средних сил они работают точно и надежно. При малых перемещениях и усилиях от небольших до средних они работают с высокой точностью и надежностью.

Волновые пружины с соприкасающимися вершинами

Уникальное преимущество волновых пружин состоит в том, что они экономят место при замене витых пружин. Уменьшение рабочей высоты пружины при сохранении рабочего хода уменьшает размер полости под пружину. Уменьшение габаритов узла снижает его материалоемкость, трудоемкость и сокращает расходы на производство.

ПРУЖИНЫ СЖАТИЯ КОНИЧЕСКИЕ

Вибрации сопровождают нас повсюду и в большинстве случаев эти вибрации являются нежелательными. В первую очередь можно назвать вибрации и колебания авто- и железнодорожного транспорта, моторов и станков, нефтяных и газовых платформ, зданий и сооружений в зоне повышенной сейсмической опасности, нежелательные вибрации лабораторных столов (особенно оптических), установок и т.д. Во всех этих случаях стоит задача изолировать полезную нагрузку (салон автомобиля, железнодорожный вагон, установку и т.д.) от источника вибраций

Dt - Диаметр проволоки D y - Внешний диаметр Lo - Свободная длина Ро - Высота d - Диаметр отверстия c - Жесткость Ln - Длина нагруженной пружины при Fn Fn - Максимально допустимое усилие пружины в Ньютонах

Пружины растяжения с усиленной петлей имеют замкнутые петли, обе петли находятся в одной плоскости. Такая особенность усиленных пружин обусловлена необходимостью получения максимального усилия пружины и наиболее высокого сопротивления деформациям. Данные разновидности пружин накапливают механическую энергию за счет своего удлинения под воздействием нагрузки. Приводные пружины сконструированы для кругового вращения не более 10 или 20 оборотов, не включая указанного ниже предварительного натяжения. Пружина специальной формы и имеет начальное усилие плотно намотанного рулона. Используется для линейного движения дает постоянное усилие во время своего хода. Монтируется различными способами и может быть растянута частично или полностью.

Ракушечные пружины (называемые ещё плоскими спиральными пружинами из ленты) предназначены для того, чтобы давать усилие кручения (круговые движения). В отличие от плотно намотанных пружин привода, описанных на предыдущей странице, плоская спиральная пружина имеет открытую намотку, что при правильной установке снижает трение к нулю. Однако в результате снижается максимальный крутящий момент. В стандартном исполнении пружины сделаны из нержавеющей полосы максимального срока службы.

Crest - to - Crest (ВЕРШИНА К ВЕРШИНЕ)

В волновых пружинах CREST-TO-CREST соседние витки опираются друг на друга, соприкасаясь своими вершинами. Коэффициент жесткости такой пружины обратно пропорционален числу витков. обычно они применяются в тех случаях, когда требуются малые или средние коэффициенты жесткости при больших деформациях и малых или средних нагрузках.

Линейный экспандер (пружина - расширитель)

Линейный экспандер (пружина-расширитель) представляет собой непрерывную синусоидальную ленту, изготовленную из термообработанного пружинного материала. Он работает как нагрузочный элемент, обладая приблизительно теми же характеристиками нагрузка/деформация, что и волновая пружина.

Пружина – это упругий элемент, назначение которого заключается в накапливании и поглощении механической энергии. В технике наиболее распространены пружины из сплавов металлов: высокоуглеродистых и нержавеющих сталей, различных видов бронзы (бериллиевой, марганцевой, оловянной). Но также эти детали могут быть изготовлены из других неметаллических материалов, имеющих высокую степень прочности и упругости, например пластмассы, дерева или фанеры.

Небольших размеров изготавливаются путем кручения проволоки малых диаметров, а крупные отливаются из отожженной стали с дальнейшей термообработкой.

Классификация

По характеру действующей на них нагрузки пружины бывают следующих видов:

• - под нагрузкой уменьшают свою длину, в свободном состоянии витки не касаются друг друга.
• Пружины расширения наоборот увеличивают свою длину вследствие нагрузки. При отсутствии приложенной силы витки сомкнуты.
• Пружины кручения могут быть двух разновидностей: торсионные - в форме стержня, работающего на кручение, и витые. Примеры последних - это металлические элементы в прищепках для белья или мышеловках.

В зависимости от исполненной конструкции пружины могут быть витые конические - такие применяются в качестве амортизаторов, и витые цилиндрические - винтовые, например в степлерах или дыроколах. Пластинчатые используются как рессоры, а спиральные в механических часах. Пружины тарельчатые применяются при приложении значительной силы, но малой деформации, например в подъемных кранах. Кроме того есть плоские и торсионные разновидности этих изделий.

Основные характеристики

Витые цилиндрические и конические пружины имеют такие свойства, как:

• диаметр проволоки;
• количество витков и их шаг;
• усталостные показатели;
• общий диаметр.

Под термином усталостной прочности подразумевают способность витой пружины не разрушаться (накапливать микротрещины) под действием регулярных циклических нагрузок. Эта величина имеет свой предел, определенный для каждого конкретного материала.

Сведения из физики

По классическому определению в физике пружина это устройство, имеющее способность накапливать потенциальную энергию посредством изменений расстояний между атомами материала, из которого она изготовлена.

По закону Гука величина растяжения упругого стержня прямо пропорциональна силе, приложенной к нему вдоль его оси. На практике это правило действует только при малых сжатиях и растяжениях. Причем ко многим материалам, используемым в реальной жизни, это закон вообще не применим.

Механические, а соответственно эксплуатационные свойства пружин - очень серьезный вопрос из-за того, что ни один механизм в технике не может работать без упругих элементов и деталей.

К таким деталям относятся не только пружины. Это могут быть распорные прокладки, контакты, растяжки. Самым знаменитым представителем пружинных изделий наверное являются шайбы Гровера, которые применяются в качестве прокладок в болтовых соединениях и благодаря упругим свойствам которых, создается некоторый перекос гайки, предотвращающий ее от саморазвинчивания. Такое название шайб происходит от фамилии Джона Гровера - английского инженера, который изобрел этот тип шайб.

Для того, чтобы эти изделия отлично справлялись со своей работой, они должны обладать рядом особых свойств.

1. Высокая релаксационная стойкость - это стойкость против перераспределения напряжений путем микропластических сдвигов в условиях длительного нагружения. Проба на релаксационную стойкость – заневоливание, т.е. сжатие до соприкосновения витков и выдержка в этом состоянии определенное время. После снятия нагрузки пружина не должна изменять свои размеры. Как правило, требования по времени выдержки в заневоленном состоянии рагламентируются отраслевыми стандартами.
2. Сопротивление микропластическим и малым пластическим деформация м - важнейшая характеристика качества пружинных сплавов, так как чем выше это сопротивление, тем меньше при данном приложенном напряжении неупругие и остаточные деформации и, следовательно, ниже все неупругие эффекты, определяющие свойства пружины. Как показывает практика, для получения высокого сопротивления малым пластическим деформациям стали должны иметь определенную микроструктуру. Хотя для разных пружинных сплавов используются различные методы обработки, все они имеют одну цель - обеспечение мелкозернистой микроструктуры, при которй все дислокации будут заблокированы.

1. Материал для изготовления пружинных изделий должен обладать достаточной циклической стойкостью . Циклическая стойкость - способность материала сопротивляться действию знакопеременных циклических нагрузок. Характеристикой этой величины является предел выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном числе циклов обозначается σ-1.
2. Определенный комплекс стандартных механических свойств в условиях статического нагружения, при испытаниях на растяжение, кручение, изгиб. Должна обеспечиваться высокая прочность, твердость и одновременно достаточная вязкость, во избежание хрупкого разрушения. Требуемые свойства обеспечиваются определенной микроструктурой и субструктурой. В микроструктуре пружинной стали должно присутствовать как можно больше препятствий для перемещения практически всех дислокаций, что создается мелкозернистым трением и равномерным распределением высоко дисперсных фаз, что характерно для структуры сорбита.

Методы торможения и блокировки дислокации в сплавах:

1) легирование твердого раствора, приводящее к повышению сопротивления кристаллической решетки движению дислокации;

2) дислокационный и фазовый наклеп, повышающие плотность дислокации;

3) создание сегрегаций на дислокациях, т.е. повышенная концентрация элементов внедрения и образование частиц выделения;

4) частицы карбидной фазы в повышенном количестве;

5) измельчение зерна.

Наиболее эффективный способ создания необходимых вышеперечисленных свойств это сочетание различных способов упрочнения:

Создание определенного химического состава сплава;

Создание определенной степени деформации, создающей благоприятную дислокационную структуру (ячеистую), но не вызывающую перенаклепа;

Проведение определенной термической обработки, которая сохранит определенную дислокационную структуру.