Пружин сжатия и растяжения

Прежде чем давать ответ на вопрос, как делают пружины растяжения или сжатия, необходимо прояснить их назначение, характеристики и их зависимость от геометрических размеров, свойств материалов и других влияющих факторов.

Определение

Пружина – это свёрнутая в спираль металлическая проволока. Её назначение – восстановление своих первоначальных размеров после деформации, вызванной растяжением или сжатием, а также упругое сопротивление такой деформации.

Геометрические особенности

В зависимости от назначения витки могут прилегать один к другому или иметь между собой некоторое расстояние. Также они бывают постоянного (цилиндрические) или переменного (конические) диаметров.

Крайние витки у пружин растяжения, как правило, отгибаются перпендикулярно остальным, чтобы за них можно было зацепиться. У пружин сжатия в некоторых случаях их шлифуют для получения плоской опорной поверхности.

Требования к материалам. Механические характеристики и термообработка

Процесс растяжения или сжатия – это деформация. Чтобы она могла происходить многократно, возникающие при изменении размеров напряжения не должны превышать предел упругости, т. е. некую величину, после которой возможно полное восстановление размеров.

Механические характеристики металлов, из которых изготавливают пружины, зависят от термообработки. В частности, у большинства углеродистых и легированных сталей упругость повышается после закалки. Чтобы избежать хрупкости металла или сплава, повысить его выносливость – способность воспринимать многократные деформации – его дополнительно подвергают отпуску.

У других пружинных материалов, не являющихся сталями – например, сплава 36НХТЮ, бериллиевая бронза и др. – улучшение механических параметров происходит после старения (нагрева и выдержки при высокой температуре).

В процессе изготовления – навивке – металл должен хорошо деформироваться. Его предел текучести – напряжение, при котором пластическая (неупругая) деформация происходит без увеличения нагрузки – должен быть как можно более низким. Для этого материал будущего изделия перед началом технологического процесса отжигают.

Один из центральных процессов изготовления – получение проволочной спирали. Он производится навивкой проволоки или прутка на оправку. Она может иметь цилиндрическую коническую или другую форму.

В зависимости от назначения изделия витки навиваются вплотную один к другому или с определённым шагом.

Плотная навивка обычно применяется для пружин растяжения, с шагом – для сжатия.

Холодный и горячий способы

Навивка пружинной проволоки на оправку может производиться с предварительным нагревом и без него.

При изготовлении изделий из тонкой проволоки нагрузка на оборудование невелика. Поэтому процесс можно вести холодным способом, без предварительного нагрева материала. Выбирая радиус оправки, следует учесть, что у до начала пластической деформации материалы сохраняют определённый запас упругости. После окончания навивки диаметр витков увеличивается.

Если проволока изготовлена из стали, обладающей в состоянии поставки высоким пределом текучести, перед началом процесса, её отжигают – нагревают и медленно охлаждают вместе с печью.

При изготовлении пружин и прутка большого диаметра (обычно более 16 мм) навивка ведётся горячим способом. Пруток нагревают до температуры, при которой текучесть снижается до минимума (около 600 С) и навивают на оправку, не охлаждая.

После окончания навивки у будущих пружин растяжения отгибают крайние витки, придают им требуемую форму. У пружин сжатия они могут шлифоваться, если последующая эксплуатация потребует плоских опорных поверхностей.

Термообработка после навивки

Как уже отмечалось ранее, механические свойства материалов пружин могут значительно меняться в зависимости от состояния материала.

Стальные — после завершения техпроцессов, связанных с пластической деформацией подвергают закалке и отпуску. Конкретный набор термических процессов определяется свойствами сталей и требованиями к готовым изделиям.

Пружины из других сплавов упрочняют другими способами, например, старением.

Нанесение покрытий

Поверхность готовой продукции для придания ей коррозионной стойкости подвергается химической обработке: оксидирование, анодирование, покрытие цинком и т.д.

Выбор конкретного вида обработки определяется материалом пружины и предполагаемыми условиями эксплуатации.

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.

Устройство используется главным образом для поглощения и накопления механической энергии.

1. Материалы для изготовления пружин

5. Пружина Бурдона
или трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, выполняет роль чувствительного элемента.

3.2. По конструктивному исполнению

4. Свойства пружин

4.1. Закон Гука

Большинство пружин, не испытывают деформаций при пределом упругости) описываются законом Гука, согласно которому приложена сила, прямо пропорциональная линейном удлинение пружины относительно равновесного положения:

x
— вектор смещения — расстояние и направление деформации пружины; F
— результирующий вектор силы — величина и направление усилия, направленного на возвращение пружины к равновесному состоянию; k
— коэффициент жесткости пружины (константа пружины).

Цилиндрические пружины характеризуются устойчивым коэффициентом жесткости . Но есть конструкции пружин (например конические, тарельчатые, пластинчатые), коэффициент жесткости которых меняется по мере деформирования. В этом случае зависимость закону Гука усложняется и между усилием и деформацией проявляется нелинейная зависимость.

Энергия упругой деформации стержня или пружины выражается через коэффициент жесткости по формуле:

.

4.2. Гармонические колебания

Поскольку согласно вторым законом Ньютона усилия равен произведению массы тела на ускорение, то с учетом

Упругие свойства рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых характеристик и коэффициентом жесткости или коэффициентом гибкости (гибкостью). Кроме того, рессоры и пружины характеризуются геометрическими размерами. К основным размерам (рис. 1) относятся: высота рессоры или пружины в свободном состоянии без груза Н св и высота под грузом H гр, длина рессоры, диаметр пружины, диаметр прутка, число рабочих витков пружины. Разность между Н св и H гр называется прогибом рессоры (пружины)
f
. Прогиб, полученный от спокойно лежащего на рессоре груза, называется статическим. У листовых рессор для более удобного измерения прогиб определяется размерами Н св и H гр около хомута. Гибкие свойства рессор (пружин)
определяются одной из двух величин:

• коэффициентом гибкости
  (или просто гибкостью);
• коэффициентом жесткости
  (или просто жесткостью).

Рис. 1 — Основные размеры рессор и пружин

Прогиб рессоры (пружины) под действием силы, равной единице, называется гибкостью f 0:

где Р — внешняя сила, действующая на рессору, Н;

f — прогиб рессоры, м.

Важной характеристикой рессоры является ее жесткость ж
, которая численно равна силе, вызывающей прогиб, равный единице. Таким образом,

ж
= P/f.

Для рессор, у которых прогиб пропорционален нагрузке, справедлива равенство

P = ж
f.

Жесткость
— величина, обратная гибкости. Гибкость и жесткость рессор (пружин)
зависят от их основных размеров. При увеличении длины рессоры или при уменьшении числа и сечения листов гибкость ее увеличивается, а жесткость уменьшается. У пружин с увеличением среднего диаметра витков и их числа и с уменьшением сечения прутка гибкость увеличивается, а жесткость уменьшается.

По величине жесткости и прогиба пружины или рессоры определяется линейная зависимость между ее прогибом и силой упругости P = ж
f, представленная графически на (рис. 2). Диаграмма работы цилиндрической пружины, не имеющей трения (рис. 2, а), изображается одной прямой линией 0А, соответствующей как нагружению пружины (возрастанию Р), так и ее разгрузке (уменьшению Р). Жесткость в этом случае величина постоянная:

ж
= P/f∙tg α.

Пружины переменной жесткости (апериодические) без трения имеют диаграмму в виде линии 0АВ (рис. 2, б).

Рис. 2 — Диаграммы работы пружин (а, б) и рессоры (в)

При работе листовой рессоры
возникает трение между ее листами, что способствует затуханию колебаний подрессоренного экипажа и создает более спокойное его движение. В то же время слишком большое трение, увеличивая жесткость рессоры, ухудшает качество подвешивания. Характер изменения силы упругости рессоры при статическом нагружении изображен на (рис. 2, в). Эта зависимость представляет замкнутую кривую линию, верхняя ветвь которой 0A 1 показывает зависимость между нагрузкой и прогибом рессоры при ее нагружении, а нижняя А 1 А 2 0 — при разгрузке. Разница между ветвями, характеризующими изменение сил упругости рессоры при ее нагружении и разгрузке, обусловливается силами трения. Площадь, ограниченная ветвями, равна работе, затраченной на преодоление сил трения между листами рессоры. При нагрузке силы трения как бы сопротивляются увеличению прогиба, а при разгрузке препятствуют выпрямлению рессоры. В вагонных рессорах сила трения увеличивается пропорционально прогибу, так как соответственно возрастают силы прижатия листов друг к другу. Величина трения в рессоре обычно оценивается так называемым коэффициентом относительного трения φ, равным отношению силы трения R тр к силе Р, создающей упругую деформацию рессоры:

Величина силы трения связана с прогибом f и жесткостью рессоры ж
, обусловленной ее упругими свойствами, зависимостью

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».

Под общим названием пружины объединяют упругие элементы, накапливающие и передающие энергию вследствие упругих деформаций под действием переменных нагрузок. Упругие элементы могут быть металлическими, жидкостными и газовыми.

Разные типы пружин широко применяются в конструкции самых разных механизмах и приборах. В сложных механизмах и агрегатах количество пружинных элементов может исчисляться сотнями и каждый из них выполняет сложные функции. Пружины используются как элемент измерительных приборов, двигателей, находят применение в устройствах, предназначенных для амортизации и виброизоляции, обеспечивают перемещения подвижных элементов кулачковых механизмов и клапанов, необходимую силу сжатия и натяжения в тормозных элементах, муфтах. При внешней простоте конструкции пружины представляют собой ответственные детали, требующие сложных расчетов при разработке и высокой точности изготовления.

Пружины классифицируют по характеристикам жесткости, типу нагрузки, особенностям конструкции.

По типу нагрузки различают пружины изгиба, сжатия, растяжения и кручения.

Витые пружины
растяжения предназначены для работы в условиях продольно-осевых нагрузок, растягивающих пружину. Витки пружин растяжения в ненагруженном состоянии, как правило, сомкнуты. Пружины этого типа под нагрузкой растягиваются. Для крепления к конструкции на концах пружины при изготовлении формируют кольца или крючки.

Продольно-осевые нагрузки на сжатие воспринимаются пружинами сжатия. Пружины сжатия отличаются сравнительно широким шагом витков, который уменьшается при нагружении детали. Для равномерного распределения нагрузки вдоль оси пружины, на торцах изделия предусмотрены плоские опорные поверхности (торцовки).

Витые пружины растяжения и сжатия изготавливают из высокоуглеродистых сталей разных марок. В зависимости от требуемых технических и эксплуатационных качеств пружины малых сечений изготавливают из углеродистых сталей марок У9А… У12А и кремнистых, в частности 60С2А. Для производства пружин ответственного назначения применяются сложнолегированные хромомарганцевые, хромокремнемарганцевые, хромованадиевые стали, устойчивые к переменным напряжениям. Детали, предназначенные для эксплуатации в химически агрессивных средах, изготавливают из цветных металлов, в частности бериллиевых бронз, которые представляют собой самый совершенный материал для производства упругих элементов. Бериллиевые бронзы устойчивы к износу и не искрят, что особенно важно в некоторых видах производства. В некоторых случаях вместо бериллиевых бронз предпочтительнее использовать различные марки кремнемарганцевых бронз.

Изготовление пружин происходит по следующей схеме:

Навивка;

Формирование зацепов (для пружин растяжения) или отделка торцов (пружины сжатия) ;

Термическая обработка;

Заневоливание.

Порядок действий зависит от диаметра проволоки. Проволока малых сечений (до 10 мм) как правило подвергается термообработке до навивки пружины. Навивка производится холодным методом, готовое изделие подвергается отпуску. Проволока сечением свыше 10 мм подвергается навивке горячим методом, после чего готовая пружина проходит полный цикл термообработки. Пружинная проволока подразделяется на три класса: высокой, повышенной и нормальной прочности.

В случаях, когда кроме упругости требуется податливость элемента при минимальных габаритах, применяются многожильные пружины, изготовленные из стальных тросов, свитых из 2…6 проволок. Такие пружины представляют собой один из лучших элементов для виброзащиты конструкции. Обычно многожильные пружины эксплуатируются как пружины сжатия, иногда — как пружины кручения.

Пружины изгиба
имеют сравнительно простую геометрию. К этому типу относятся разнообразные зажимы, стопорные элементы, торсионы и прочие детали, предназначенные для передачи упругих деформаций с минимальными изменениями геометрии.

Пружины кручения
работают на скручивание под действием пары сил, прилагаемых в параллельных плоскостях, расположенных перпендикулярно относительно оси пружины. Подразделяются на витые и торсионные. Витыми называют пружины, применяющиеся в бельевых прищепках, мышеловках и прочих устройствах, срабатывающих на открывание-закрывание. В торсионных пружинах момент кручения передается на вал, а пружина накручивается на него. Торсионные пружины, они же плоские спиральные ленточные пружины используются как аккумуляторы энергии в заводных механизмах и некоторых измерительных приборах. Изготавливаются из углеродистой стали высокого качества, прочной и пластичной.

При необходимости уменьшить вероятность возникновения резонанса сила воздействия и упругая деформация пружины должны находиться в нелинейной зависимости. Эта задача решается за счет применения в конструкции так называемых фвасонных пружин, работающих преимущественно на сжатие. К этому типу относятся параболоидные, конические и телескопические пружины.

Пружины могут быть и жесткими, таким как пружины прорезного типа, изготовленные из отрезков труб круглого сечения. Такие пружины работают как на сжатие, так и на растяжение.

Для восприятия больших нагрузок в условиях ограниченного пространства применяются пружины тарельчатого типа
. Основное предназначение тарельчатых пружин — гашение ударных нагрузок и демпфирование энергии колебаний, они применяются в буферных устройствах. Для производства тарельчатых пружин чаще всего используется сталь 60С2А.

В амортизаторах используются пружины кольцевого типа
, в которых под нагрузкой кольца вдвигаются друг в друга. Пружины, работающие на односторонние изгибающие нагрузки, могут быть и плоскими. Плоская пружина представляет собой предварительно изогнутую жестко зафиксированную пластину.

Помимо этого в конструкции механизмов встречаются торсионные валы и фигурные пружины.

Администрация Общая оценка статьи:
Опубликовано:
2015.06.02

просмотров