Пружины распространены во всех видах машин — от товаров народного потребления до тяжелого промышленного оборудования. Разберите все, что связано с механизмом, и, скорее всего, вы найдете внутри пружину. Пружины — это накопители механической энергии, аналогичные емкости аккумуляторов. Первые часы с пружинным приводом появились в 1400-х годах.
Мое личное увлечение пружинами началось с заводных машинок, и бесчисленные механические изделия включая будильник были принесены в жертву и разобраны, чтобы удовлетворить мое любопытство в детстве. В наши дни я ценю более сложное применение пружин — особенно когда я проезжаю по выбоинам, благодаря современной подвеске с винтовыми пружинами моего автомобиля, которая по-прежнему обеспечивает плавность хода!
В этой статье я расскажу вам о основных типах, функциях, материалах, применении, преимуществах и недостатках пружин. Итак, давайте углубимся в статью и начнем с определения пружины.
Пружины могут компенсировать размерные неточности, снимать вибрации, накапливать энергию, измерять давление, вес, усилия и ускорения, а также предохранять от ударов и перегрузок. Кроме того, пружины могут быть изготовлены из различных материалов и иметь различные формы и размеры в зависимости от конкретного применения.
Пружина - упругий элемент один из самых широко применяемых в конструкциях, приборах и различных механизмах, основная функция которого - отклоняться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму при снятии нагрузки - отдающая или поглощающая механическую энергию. Он также используется для хранения энергии - накапливающая. Пружина - это деталь, которая накапливает энергию при приложении силы (от груза) и высвобождает энергию после снятия нагрузки. В нормальных условиях, независимо от типа пружины, используемой в изделии, пружина возвращается к своей исходной форме после снятия нагрузки.
Пружины используются во многих областях, включая:
1. Машиностроение: пружины используются в механизмах для уменьшения вибраций, амортизации ударов, обеспечения постоянного давления и силы.
2. Транспортная промышленность: пружины используются в подвеске, тормозной системе, двигателе и других механизмах.
3. Медицина: пружины используются в зубных скобах, кардиостимуляторах и других медицинских устройствах.
4. Электроника: пружины используются в различных электронных устройствах, таких как микрофоны, динамики и кнопки.
5. Спортивное оборудование: пружины используются в спортивных тренажерах, матрасах и другом спортивном оборудовании.
6. Бытовая техника: пружины используются в стиральных машинах, холодильниках, микроволновых печах и другой бытовой технике.
7. Промышленность: пружины используются в различных промышленных механизмах для обеспечения определенной силы и давления.
Далее, давайте посмотрим на взаимосвязь между силой, приложенной к пружине, и ее результирующим смещением. Cуществует три класса пружин: линейные пружины (или пружины постоянной жесткости), пружины переменной жесткости и пружины постоянной силы.
Использование пружин в любом продукте основано на законе Гука. Закон Гука просто демонстрирует взаимосвязь между «силой», действующей на пружину, и ее упругостью. Проще говоря, закон Гука гласит, что сила, необходимая для сжатия и растяжения пружины, прямо пропорциональна смещению.
Математически закон Гука выражается как F = -kX,
F = сила, приложенная к пружине Н
X -смещение пружины (отрицательное значение указывает, что возвращающая сила противоположна направлению.) мм
x = расстояние или (L2 – L1)
-k - жесткость пружины. Это зависит от типа материала пружин и показывает постоянную жесткость.
Отрицательный знак присутствует в законе Гука, потому что восстанавливающая сила направлена в противоположном направлении по отношению к приложенной силе; вытягивание пружины вниз вызовет растяжение вниз, но результирующую восходящую силу.
Пружина с переменной жесткостью не имеет одинаковой жесткости по всей своей осевой длине, другими словами, k не является постоянной величиной.
Известная пружина переменной жесткости представляет собой конусообразную пружину сжатия. Полностью сжатая высота может составлять всего один диаметр проволоки.
Пружины с переменной жесткостью также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они стабильны в поперечном направлении и менее подвержены короблению.
Пружины постоянной силы также называют часовыми пружинами. Этот тип пружины обычно представляет собой спиральную ленту из пружинной стали, используемую в уравновешивающих устройствах, таких как регулировка высоты мониторов и, как вы уже догадались, часов.
Наиболее распространенный способ классификации пружин — по тому, как к ним прилагается нагрузка. Внутри каждого из этих различных типов пружин есть дополнительные характеристики и классификации.
Виды пружин.
По виду воспринимаемой нагрузки:
Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. Проволочная пружина с крючками или кольцами на концах, которые позволяют пружине удерживать объект, который будет раздвигать витки пружины за счет добавления силы. Когда приложена внешняя сила, компоненты раздвигаются, и эти пружины пытаются вернуть эти компоненты в исходное положение.
Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.
Пружины сжатия находят применение в широком спектре промышленных применений из-за их способности удерживать и отдавать энергию без сложных деталей или механизмов. Достоинством такого упругого элемента является его компактность. Внутри витков пружины можно разместить амортизатор, ограничитель хода или направляющую трубу свечной подвески.
У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.
Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины). Они имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)
Пружины кручения —- это особый тип пружин, которые сильно сопротивляются вращающим силам, известным как крутящий момент. Могут быть двух видов:
- торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
- спиральные пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).
Проволочные спиральные пружины с прямыми проволоками на концах образуют ножки, которые позволяют приложить к ним вращающую силу и создавать крутящий момент.
Двойные пружины кручения имеют левую и правую спиральные секции, соединенные вместе. Левая и правая секции спроектированы отдельно, а общий прилагаемый крутящий момент рассчитывается как сумма двух. Они могут удерживать механизм на месте статически, отклоняя ножки по центральной оси его корпуса.
В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.
Пружины можно разделить на различные типы по конструкции, здесь в этом разделе я собираюсь упомянуть некоторые из наиболее широко используемых.
По конструкции:
- Прямые витые цилиндрические - используется в подвеске мотоцикла или железнодорожного вагона. В этих пружинах все витки имеют одинаковый диаметр. Упругий элемент в виде пружины состоит из одной детали, поэтому отсутствует трение, присущее листам рессоры. Благодаря этому пружина не нуждается в каком-либо уходе в период эксплуатации.
- Прямые витые прямоугольного сечения (инструментальные пружины) работают на сжатие и широко используются в пресс-формах и штампах. Благодаря прямоугольному сечению проволоки пружины сжатия по ISO 10243 обладают большей жесткостью по сравнению с пружинами изготовленными из круглого сечения. Технология изготовления прямоугольных пружин обеспечивает равномерное распределение нагрузки.
- Выпуклые пружины (т. е. бочкообразные пружины) имеют витки большего диаметра в середине пружины и витки меньшего диаметра на обоих концах. Такая конструкция позволяет виткам вставляться друг в друга при сжатии пружины. Производители используют выпуклые пружины в тех случаях, когда требуется большая устойчивость и устойчивость к колебаниям при разжиме пружины. В большинстве случаев они используются в автомобильной, мебельной и игрушечной промышленности.
Витые конические - используется в электрическом или электронном оборудовании, садовых секаторах и т. Д. Пружины сжатия с переменным внеу. Один конец имеет больший диаметр, чем другой, и витки по всей пружине обеспечивают постепенное сужение или изменение размера. Такое изделие применяется в том случае, если на него дополнительно ложиться поддерживающая функция. Оно не только срабатывает на возврат при деформации, но и работает как опора. На практике вы можете увидеть этот тип пружины в отсеке для батареек пульта дистанционного управления или настенных часов, на дорожных классических велосипедах, где они поддерживают сидение.
- Плоские спиральные пружины - имеют форму ленты закрученной в спираль. Когда компоненты начинают вращаться вокруг центра пружины, спиральная пружина оказывает равное усилие, чтобы вернуть их в исходное положение. Именно такие пружины применяются в часовых механизмах, работающих на заводе без использования электрического источника энергии. Также их используют в ручных стартерах бензопил, мотокос для возврата шнура обратно и т.п.
- Пластинчатые бывают разных форм и размеров в зависимости от области применения. Они находит свое применение в таких изделиях как листовые рессоры. Эти пружины не имеют стандартной формы или размера. Они производятся согласно требованиям различных функций. По сравнению с пружинами из круглой проволоки, пружины плоской формы имеют прочную конструкцию и могут выдерживать высокие ударные нагрузки.
- тарельчатые - представляют собой шайбы конической формы, удерживаемые вместе болтом или трубкой, имеющая характеристики пружины. Это неплоская коническая пружина с кожухом, которая обычно нагружается в осевом направлении. Пружина этого типа может оказывать постоянное давление по всей площади соприкосновения а также обеспечивает высокую нагрузку на небольших участках. Его можно использовать там, где быстро происходит тепловое расширение или сжатие - получил широкое распространение в механизмах рулевых реек большинства автомобилей. Основные размеры пружин соответствуют стандарту DIN 2093.
- Волновые - представляет собой синусоидальную металлическую ленту, навитую ребром по окружности заданного диаметра (обычно от 5 мм до 3000 мм). В зависимости от назначения, выполняется одновитковой или многовитковой. Она навивается по кругу, как и винтовые изделия. Однако благодаря волнообразной укладки при сжатии, она воздействует обратно одинаково по всей плоскости без стремления уйти в сторону. Такое ее качество важно при изготовлении точных механизмов. Волновой элемент также может изготавливаться в виде незамкнутого кольца или тарельчатой пружины с синусоидой.
- Торсионные пружины представляют собой устройства, которые работают на основе скручивания. Они могут быть выполнены в виде одного длинного вала или нескольких валов, соединенных последовательно и расположенных параллельно. Основная функция торсионных пружин заключается в накоплении и передаче углового момента.
- Специальные пружинные элементы - сечение, форма, материал нестандартной формы, отвечающая требованиям конкретного устройства для его надлежащего функционирования.
Основные параметры при выборе пружин
Для витых цилиндрических и конических:
- внешний диаметр пружины. При прочих равных показателях чем больше диаметр — тем ниже жесткость.
- количество витков
- шаг витка
- диаметр проволоки
- воспринимаемая нагрузка (минимальная рабочая F1, максимальная рабочая F2 и предельная F3 силы пружины измеряются в Ньютонах.
- линейная зависимость в графике между деформацией (осадкой) пружины и нагрузкой, приложенной к ней.
Для волновых:
- сечение ленты,
- число витков,
- число волн на виток,
- коэффициент жёсткости,
- предельная нагрузка,
- также усталостные характеристики материалов.
Направление навивки.
- Правое
- Левое
Отделка: цинкование, окраска эмаль, хим.окс. промасливанием, анодирование, электрополировка, пассивирование и др.
Термическая обработка: После навивки пружины могут также пройти процедуры закалки и отпуска для снятия напряжения металла, что улучшает прочность и эксплуатационные качества готового продукта. Однако этапы термическая обработка и отделка не являются обязательными.
Одним из самых важных параметров при выборе пружины является коэффициент ее жесткости и воспринимаемая нагрузка. Он определяет, какое усилие требуется для сжатия или растяжения готового изделия.
Если пружина будет подходить к механизму по длине и диаметру, но при этом для ее деформации нужно значительно большее усилие, чем требуется, то система не сможет работать. По сути, развиваемое прижимное усилие не способно вызвать отклик упругости. Если же наоборот жесткости пружины окажется недостаточно, то растянувшись под нагрузкой, она не вернется обратно. Аналогичная ситуация будет и при сжатии.
Материал пружины.
Пружинные материалы:
Для производства пружин применяется специализированная проволока, имеющая повышенные параметры упругости. Из нее делают все виды пружин, кроме тарельчатых. Последние изготавливаются путем штамповки по листовой стали.
Пружины изготавливаются из следующих материалов:
- Проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75 І, ІІ, ІІІ классов прочности диаметром 0,2-10,0 мм;
- Проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14963-78 для горячей и холодной навивки сталь 60С2А, 50-51ХФА диаметром 3,0-12,0 мм;
- Проволока из презиционных сплавов для упругих элементов ГОСТ 14118-85 диаметром 0,2-7,0 мм;
- Проволока из высоколегированной коррозионностойкой и жаростойкой стали ГОСТ 18143-72 диаметром 0,3-6,0 мм;
- Проволока стальная для механических пружин холоднотянутая из углеродистой стали ГОСТ Р 50567-93 диаметром 0,2-20,0 мм;
- Проволока из бериллиевой бронзы ГОСТ 15834-77 диаметром 0,2-12,0 мм;
- Проволока из кремнемарганцовой бронзы ГОСТ 5222-72 диаметром 0,2-10,0 мм;
- Проволока из оловянно-цинковой бронзы ГОСТ 5221-2008 диаметром 0,2-12,0 мм;
- Прутки из прецизионных сплавов для упругих элементов ГОСТ 14119-85 диаметром 1,0-30,0 мм;
- Проволока пружинная нержавеющая, жаропрочная, коррозионно-стойкая: 12Х18Н10Т по ТУ 3-1002-77, ХН77ТЮР по ТУ 3-825-80.
Волоченная углеродистая проволока: это пружины общего назначения, где нам нужна низкотемпературная стойкость и низкое напряжение, мы можем использовать эти типы пружинных материалов.
Легированная и нержавеющая проволока: В настоящее время нержавеющая сталь широко используется для изготовления пружин.
Керамический материал подходит для изготовления пружин, работающих при очень высоких температурах. Он устойчив к истиранию, воде и очень твердый. Также он имеет низкий коэффициент трения и низкую плотность.
Медь, алюминии, магний, цинк, никель, свинец, титан, олово и их сплавы, используют в промышленности в случаях, когда применение черных металлов и их сплавов нецелесообразно или невозможно.
Бронза: эти типы пружин используются в электротехнической промышленности, поскольку материал обладает хорошей электропроводностью и хорошей устойчивостью к коррозии.
Графитовая эпоксидная смола: используется в высокопрочных пружинах, таких как листовая рессора.
Углеродная эпоксидная смола: изготовленая из углеродного волокна и способная выдерживать высокие нагрузки, этот материал также используется в высокопрочных устройствах, таких как автомобили. Основой подобных моделей является все же стекловолокно – именно из него выполняется стержень пружины, который затем дополнительно усиливается углеродистой эпоксидной смолой и сворачивается в спиралевидную заготовку. Кольца будущего изделия покрываются еще одним слоем стекловолоконных нитей, а потом изделие запекается при высокой температуре.
Подобная технология изготовления требует гораздо меньше ресурсов, нежели изготовление стальных аналогов.
Однонаправленный композитный материал из стекловолокна представляет собой армированное стекловолокно, обладающее высокой прочностью. Следовательно, производители теперь рассматривают его как потенциальный материал для изготовления всех пружин.
Проектирование пружины в КОМПАС-Spring.
Стандарт ГОСТ 2.401-68 определяет правила выполнения чертежей и условные обозначения для пружин во всех отраслях промышленности.
Европейские стандарты.
ISO 2162-1:1993 Техническая документация по продукту. Пружины. Часть 1. Упрощенное представление.
ISO 2162-2:1993 Техническая документация на продукцию. Пружины. Часть 2. Представление данных для цилиндрические винтовые пружины сжатия.
ISO 2162-3:1993 Техническая документация по продукции. Пружины. Часть 3. Словарь
При вычерчивании винтовой пружины с числом витков более четырех допускается показывать с каждого конца пружины 1-2 витка, кроме опорных. Остальные витки не изображают, а проводят осевые линии через центры сечений витков по всей длине пружины.
Если диаметры проволоки и троса или толщина сечения материала на чертеже 2 мм и менее, то пружину изображают линиями толщиной 0,6-1,5 мм; многослойную пластинчатую пружину типа рессоры изображают по внешнему контуру пакета.
Винтовые пружины сжатия и растяжения должны быть изображены с правым направлением навивки. Левое направление навивки должно быть указано в технических требованиях.
Пружины кручения должны быть изображены с требуемым направлением навивки.
На рабочем чертеже пружины с контролируемыми силовыми параметрами помещают диаграмму испытаний, на которой показывают зависимость нагрузки от деформации или деформации от нагрузки. Если заданным параметром является длина (высота) или деформация (линейная или углов), то указывают предельные отклонения нагрузки — силы или момента. Если заданным параметром является нагрузка, то указывают предельные отклонения длины (высоты) или деформации.
На диаграмме испытаний для пружин растяжения с межвитковым давлением указывают величину силы предварительного напряжения. Если для характеристики пружины достаточно задать только один исходный и зависимый от него параметр (например, F2), то допускается диаграмму на чертеже не приводить, а указать эти параметры в технических требованиях.
.Для пластинчатой пружины с контролируемыми силовыми параметрами, кроме диаграммы, на чертеже приводят схему закрепления пружины и указывают размеры от точки приложения нагрузки до места закрепления.
На чертеже пружины указывают диаметр пружины (наружный или внутренний) с предельными отклонениями. Исходя из условий работы пружины, в технических требованиях допускается помещать указания о контроле либо по стержню Dc , либо по гильзе Dt , при этом предельные отклонения диаметра пружины не указывают.
Технические требования на чертеже пружины.
На чертеже пружины основные технические требования рекомендуется приводить в следующей последовательности записями по типу:
- G = ... МПа, модуль сдвига или второй параметр Ламе,
- τ3 = ... МПа, максимальное напряжение при кручении,
- ⴹ = ... МПа, модуль продольной упругости Юнга,
- δ = ... МПа, максимальное напряжение при изгибе,
- Пружина с витком, номер позиции по ГОСТ ...
- Направление навивки пружины ...
- Направление свивки троса ...
- Число жил в тросе ...
- n число рабочих витков или число тарельчатых пружин в пакете,
- n1 число витков полное или число витков спиральной пружины в свободном состоянии,
- HRC ... величина твердости,
- Dτ = ... мм, диаметр контрольной гильзы,
- Dς = ... мм, диаметр контрольного стержня,
- Остальные технические требования.
Величину твердости указывают при необходимости только на чертеже пружины, подвергающейся после навивки термической обработке (закалке и отпуску). Допускается технические требования сводить в таблицу.
Прикладная библиотека КОМПАС-Spring функционирует в среде КОМПАС 3D и обеспечивает выполнение проектного или проверочного расчетов цилиндрических винтовых пружин растяжения и сжатия, а также тарельчатых пружин и пружин кручения.
Расчет выполняется пpи минимальном количестве исходных данных и гаpантиpует получение необходимых конструктору паpаметpов пpужины пpи ее минимальной массе. Результаты расчета могут быть сохранены для последующего выполнения построения или распечатаны. Как показывает практика пользователей, КОМПАС-Spring позволяет в 15–20 раз повысить скорость проектирования пружин и выпуска документации на них
В основу приложения положены следующие методики расчета:
- пружины сжатия и растяжения — ГОСТ 13764-86, ГОСТ 13765-86;
- тарельчатые пружины — ГОСТ 3057-90;
- пружины кручения — методика из книги В.И. Анурьев ”Справочник конструктора-машиностроителя” том 3;
- конические и фасонные пружины — методика из книги С. Д. Пономарёв, Л. Е. Андреева «Расчет упругих элементов машин и приборов».
В результате проектного расчета система предлагает множество решений, удовлетворяющих исходным данным, из которых конструктор может выбрать оптимальное по одному или нескольким критериям.
Основные документы, регламентирующие изготовление пружин.
- Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения ГОСТ 13764-86, ГОСТ 13767-86 - ГОСТ 13776-86, ГОСТ 16118-70.
- Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из специальных сталей и сплавов ГОСТ Р 50753-95;
- Пружины цилиндрические винтовые для ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог ГОСТ 1452-2003;
- Пружина шайба. Тарельчатая. DIN 2093 ГОСТ 3057-90.
Чтобы выбрать подходящую пружину, необходимо знать, какие виды пружин используются в настоящее время. Каждая пружина имеет свои особенности и характеристики в зависимости от типов используемых материалов, конструкции и производственного процесса. Поэтому, выбирая пружину для своего продукта, лучше всего учитывать вышеперечисленные факторы.
Давай дружить! Если вам нужна помощь в подборе готовой пружины или проектировании нестандартной, вы можете обратиться удобным способом через сообщения.
Для тех, кто копает глубже и хочет знать больше. Нажимайте подписаться. Если у вас есть, что добавить по теме, не стесняйтесь. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, мысли, дополнения и всё такое прочее, то добро пожаловать в комментарии к этой записи.
Желаю бодрости духа и сил, вдохновения и прекрасного настроения, искренних улыбок и приятных эмоций. Понравился пост? Не забудьте «лайкнуть».
