Пружина сжатия и растяжения различия
Пружина – упругий, обычно витой элемент механизмов, отвечающий за возврат приложенного усилия. В зависимости от способа навивки работает в направлении сжатия или растяжения.
Виды пружин
По конструктивному признаку осуществляется классификация пружин на несколько разновидностей:
- Винтовые.
- Торсионные.
- Спиральные.
- Тарельчатые.
- Волновые.
Винтовые являются самыми широко распространенными. Они имеют форму трубки. Элемент получают методом навивки проволоки или прута на цилиндрический шаблон. После чего заготовка поддается закалке и отпуску. В зависимости от способа навивки зависит направление работы пружины. Наличие зазоров между витками позволяет ее использовать как элемент сжатия. Примером являются пружины в шариковых ручках, подвесках автомобилей, мототранспорта. При плотной навивке пружина срабатывает на растяжения. Такие элементы имеют на краях проушины зацепы. Их используют в механизмах автоматического закрывания двери.
Торсионные имеют аналогичное устройство, что и винтовые. Однако они устроены так, чтобы срабатывать на кручение и изгиб. Концы таких пружин сделаны удлиненными для зацепа при установке. При воздействии на скручивание элемент противодействует. Торсионные пружины, к примеру, используются в сложных механизмах закрывания дверей.
Спиральные имеют форму ленты закрученной в спираль. Этот элемент применяется для накопления энергии. При установке в механизм он закручивается, накапливая за счет своей упругости энергию на раскручивание. 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.
Тарельчатая пружина имеет вид шайбы выгнутой под конус. За счет упругости металла она противодействует сжатию. Они постоянно подпирают гайки или другие комплектующие. Это достаточно редко применяемый элемент, однако он получил широкое распространение в механизмах рулевых реек большинства автомобилей.
Волновые представляют собой ленту уложенную по синусоиде, то есть волной. 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.
Классификация пружин по способу нагрузки
Более важным параметром, чем само устройство пружины, является способ ее нагрузки. При изготовлении различных механизмов возможно предусмотреть установку в него пружины практически любого устройства, главное чтобы она подходила по способу нагрузки.
Выполняется классификация пружин на следующие разновидности по воздействию:
- Изгиб.
- Кручение.
- Растяжение.
- Сдавливание.
Пружины изгиба противодействуют на усилие, нацеленное на их изгиб. Это качество используется для поджатия деталей механизмов между собой. Примером являются тарельчатые пружины.
Кручения оснащаются удлиненными ровными краями зацепами, которые фиксируются в механизмах. При попытке изменения их нормального положения в любую сторону они за счет упругости навивки основного тела возвращаются обратно. Примером таких элементов выступают торсионные пружины в бельевых прищепках.
Сжатия и растяжения имеют похожее устройство и отличаются только величиной зазора между витками навивки. Элемент сжатия при сдавливающем воздействии оказывает противодействие. Именно такой тип пружин используется в прижимных клавишах. Пружина растяжения наоборот стремится принять свою нормальную форму на действие направленное на ее удлинение. Она используется в конструкции кроватей раскладушек, спусковых механизмах огнестрельного оружия.
Из чего сделана пружина
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.
Пружинная проволока производится методом проката из определенного стального сплава. Благодаря специализированному составу, после термообработки, готовое изделие не ломается при механическом воздействии в приделах расчетных нагрузок. Также оно приобретает повышенную устойчивость к снижению упругости после многократной деформации. Однако все пружины без исключения поддаются износу. Он проявляется в виде потери упругости. Со временем они перестают принимать, после деформации, свое изначальное положение, поэтому нуждаются в замене.
Жесткость пружин
Рабочая жесткость пружины зависит от ряда параметров:
- Химического состава металла.
- Способа термической обработки.
- Диаметра применяемой проволоки.
- Числа витков.
- Частоты витков.
Одним из самых важных параметров при выборе пружины является коэффициент ее жесткости. Он определяет, какое усилие требуется для сжатия или растяжения готового изделия. Этот параметр является следствием сложных инженерных расчетов, учитывающих множество показателей механизма, в который необходима установка пружины. Для рядового пользователя более привычной выступает оценка по уровню стойкости измеряемой в единицах веса. Большинство пружин просто оценивают по тому, какой массы груз может ее полностью деформировать.
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.
Жесткость всех видов пружин зависима от температуры. При их подборе оптимально проводить оценку жесткости в той температуре, в которой она будет использоваться. Чем теплее, до определенного порога устойчивости металла, тем выше упругость. При охлаждении структура металла меняется, и пружины приобретают меньший ход и повышенную хрупкость. При эксплуатации в обычных условиях это почти незаметно. Однако такое качество явно проявляется в случае использования тонких пружин в условиях Севера.
Как сделать пружину в домашних условиях
Практически в каждом механизме, где применяется пружина, она имеет свои параметры диаметра и высоты. Вследствие этого после ее износа возникают трудности с заменой. Для достаточно современных механизмов пружины можно заказать у поставщика запчастей, но для старых уже снятых с производства это невозможно.
В таком случае пружину можно изготовить самостоятельно. Для ее производства в домашних условиях требуется наличие пружинной проволоки. Так как она чаще продается на вес от 1 кг, то этого излишне много для получения одной пружины. В таком случае можно приобрести в хозяйственном или автомагазине любую пружину сделанную из проволоки нужного диаметра. Используя ее как источник материала можно изготовить изделие требуемых параметров повторив фабричную технологию в упрощенном варианте. При термообработке пружин на производстве их нагрев и охлаждение делается с точным контролем температуры измерительным оборудованием. В домашних условиях можно приблизительно контролировать нагрев металла по цвету побежалости. При разной температуре тот меняет свой цвет. Сначала он сереет, потом синеет, краснеет, желтеет и становится почти белым.
Пружина донор разогревается любым доступным способом. Можно использовать горн, газовую или бензиновую горелку. Она греется до темно-красного цвета побежалости, после чего оставляется остывать на воздухе. Такая термообработка называется отжиг. Структура металла пружины меняется, и он становится податливым. Благодаря этому она легко разматывается на проволоку.
Далее проволока наматывается на шаблон нужного диаметра. В его качестве может использоваться прут, болт и т.д. Витки делаются вплотную. Затем заготовка снимается с бланка и из нее формируется необходимая пружина. Если она должна работать на сжатие, то витки разводятся. При изготовлении пружины растяжения в ней формируются проушины. Если же изготавливается торсионное изделие, то края оставляются длинными и ровными.
После этого заготовка снова разогревается до темно-красного цвета и остужается в машинном масле. Это закаляет металл, делая его снова твердым, упругим, но хрупким. Затем изделие снова греется горелкой, но уже до светло-серого цвета и оставляется остужаться на воздухе. В результате металл отпускается. Он сохраняет упругость, но теряет хрупкость. В таком виде изделие уже может использоваться по назначению.
Формы витых пружин
Витые пружины бывают:
- Цилиндрические.
- Конические.
Навитые на бланк пружины могут иметь не только правильную цилиндрическую форму, но и коническую. В ней каждый новый виток уже предыдущего. 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. Конические пружины можно встретить на дорожных классических велосипедах, где они поддерживают сидение.
Цилиндрические и конические пружины могут быть обычными или составными. Составные являются сдвоенными. Это соединенные вместе 2 пружины разного диаметра. Одна располагается снаружи, а вторая ставится между ее витками. Таким образом, они работают вместе, обеспечивая необходимый уровень жесткости.
Похожие темы:
Источник
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.
- 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. - 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.
- 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. - 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
Источник