Газовые пружины на растяжение

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 октября 2017; проверки требуют 9 правок.

Газовый пружинный механизм – устройство, позволяющее поднимать (перемещать) массивный объект применением к нему небольшого усилия. Конструкция, действующая на «умных» петлеобразных шарнирах, поддерживающих объект с одной или с нескольких сторон (например, крышку багажника автомобиля). Такие механизмы называют газовые пружины (газовые демпферы). Простой пример применения такого типа пружин — конструкция офисного стула, где регуляция положения высоты сиденья осуществляется одним рычагом. Рассмотрим эти механизмы для лучшего знакомства.

Преимущества использования газовых пружин

Можно представить отсутствие пружинных демпферов в составе крышки багажника автомобиля, чтобы осознать все преимущества этого механизма:

1. Необходима масса усилий для подъёма крышки багажника.
2. Даже подняв крышку багажника, придётся применить дополнительные силы для удержания, пока будет загружаться багажник.
3. Наконец, если просто отпустить крышку багажника, эта деталь захлопнется с такой силой, что наверняка повредит часть кузова автомобиля.

Конечно, допустимо оснастить элемент багажника обычной металлической пружиной. Однако явно выраженных удобств этот вариант всё равно не придаст. Потребуется применить жёсткую массивную пружину, чтобы компенсировать все усилия, требуемые для подъёма. Чем выше подъём, тем мощнее потребуется пружина. Но даже при полностью открытой крышке багажника не исключён обратный эффект — тяги вниз. Поэтому выход один – демпферный механизм.

Принцип действия пружинного демпферного механизма

Демпферный механизм чем-то напоминает усиленную версию велосипедного насоса. Только в этом случае цилиндр насоса заполнен газообразным азотом под давлением и маслом. Рабочий цилиндр полностью герметичен. Газ позволяет накапливать энергию, а масло демпфирует (замедляет и сглаживает) движение поршня, плюс обеспечивает смазку узла.

ГАЗ-ПРУЖИНЫ

Один из вариантов схемы механизма: 1 – поршневой стопор; 2 – тело поршня; 3 – ограничительное кольцо; 4 – стопорное кольцо; 5 – стенка корпуса цилиндра; 6 – шток; ГМ – газ с маслом

Как и в конструкции велосипедного насоса, на штоке закреплён плотно прилегающий  к стенкам цилиндра поршень, поддерживающий функции скольжения взад и вперёд. Цилиндр механизма, как правило, изготовлен из толстостенной прочной стали. В этой части конструкция явно отличается от насоса велосипеда, где цилиндр делается из тонкостенного алюминия или даже из пластика.

Давлением формируется усилие, передаваемое на шток и поршень, который входит в цилиндр и сжимает газ. Если убрать давление, полностью отпустить механизм, сжатый газ начнёт расширяться и вытолкнет поршень назад. Между тем, газ внутри цилиндра фактически проходит сквозь поршень или обходным путём, когда выполняется движение поршня назад и вперед. Конкретная система функционала зависит от конструкции пружинного механизма. Обычно поршень содержит одно или несколько сквозных отверстий (клапанов).

Как создаётся рабочие усилие механизма?

Газовое исполнение обеспечивает давление, действующее на большую площадь внутренней поверхности поршня. Давление на внешней стороне, за счёт наличия штока поршня, воздействует на меньшую площадь. Соответственно, на внутренней поверхности присутствует больше силы, чем на внешней поверхности. Именно поэтому демпферный механизм создаёт силу-противовес, будучи в режиме толкательного движения.

ДОВОДЧИК

Бытовой пример установки демпферного механизма (лифт-поддержки) на крышке обычного хозяйственного ящика. Такой механизм обеспечивает плавность хода и минимальное усилие для действий пользователя

Величина силы, создаваемой газовой пружиной (усилие на выходе), равна площади поршня, умноженной на внутреннее давление. Усилие на выходе уменьшается за счёт трения между поршнем и цилиндром (что является одной из причин обязательного применения смазки) и увеличивается с температурой.

Как и металлические пружины, газовые демпферные механизмы выпускаются разных размеров. Соответственно, пользователю доступен выбор конкретного размера цилиндра и поршня, а также нужного количества давления газа, чтобы получить усилие, требуемое для выполнения конкретной работы. Чтобы удерживать ту же крышку багажника автомобиля, потребуются два газовых демпфера с каждой стороны. Так при сжатии обеспечивается равномерное усилие, равное весу нагрузки (крышки багажника).

Газовые демпферные пружины как источники энергии

При эксплуатации явно заметна плавность и медлительность работы газовых пружин. Концевая область поршня сконструирован таким образом, что жидкость внутри цилиндра (газ и жидкость) течёт через клапаны или обходным путём крайне медленно. Конструкции демпферов отличаются разнообразием. Иные содержат поршни, пропускающие жидкость быстрее в одном направлении, но медленнее в противоположном направлении.

ПРУЖИННЫЕ

Механизм демпфирующий «Yamaha Motor»: 1 – пружина отмены реакционной силы газа; 2 – специальный поршневой клапан на выполнение скоростных операций; 3 – сжатый азот; 4 – свободно двигающийся поршень; 5 – масло; А- сила реакции газа; B – сила пружины; C — дезактивация

Обычно такого рода действия поддерживаются поршнями, оборудованными клапанами. При движении в одном направлении клапан закрывается, обеспечивая медленное течение жидкости, уменьшая скорость, с которой поршень может двигаться. Когда же поршень движется в другую сторону, клапан открывается, обеспечивая лучшее прохождение жидкости, позволяя поршню двигаться намного быстрее.

Газовые пружины обычно разрабатываются с учётом определённого параметра нагрузки, поэтому поддерживают плавное расширение с определённой скоростью (несколько сантиметров в секунду).

Работа газовой пружины заключается в том, чтобы облегчить усилия конечного пользователя за счёт накопления и высвобождения энергии. Поэтому газовую пружину логично рассматривать как механическую батарею, накапливающую и выделяющую энергию за счёт сжатия / расширения газа. Так проще понять принцип действия и преимущественную пользу устройства.

Сравнительный анализ газовых и металлических пружин

Газовая пружина, по сути, работает аналогично обычной металлической пружине, но работа первой конструкции отмечена рядом преимуществ. По причине высокого давления газа внутри рабочего цилиндра, конструкция газовой пружины более компактная, чем металлический аналог. При этом обеспечивается одинаковое усилие.

Газовые пружины обеспечивают более линейное (плавное) растяжение и сжатие, по сравнению с металлическим аналогом. Такие изделия сконструированы с тем расчётом, чтобы обеспечивалась точная и постоянная скорость. Металлические аналоги сжимаются быстрее, растягиваются дальше и не исключают непредсказуемость действия.