Технически пружини

ПОДОБНИ СТАТИИ

Технически пружини

Пружините са машинни части от групата на еластичните елементи, които при натоварване в процеса на работа получават значителни еластични деформации, без да загубват своята работоспособност. Това тяхно качество се дължи на специалната им форма и на използването на материали с висока якост и еластичност.

Пружините са елементи използвани от векове. Спиралните пружини например са познати от началото на петнадесети век, когато се използвани в задвижващи механизми. Пружината в баланса на джобните часовници за първи път е приложена през 1673 г. от Соломон Костер след патент на Кристиан Хюйгенс.

През 1676 г. британският физик Робърт Хук установил, че в пружинен механизъм силата, създадена от пружината, е пропорционална на дължината й, като този принцип и сега е известен като закон на Хук. Самата работа на пружините се състои в натрупването на енергия, която след това се отдава или се създава необходимата постоянна сила.

Изпълняват множество функции
Пружините изпълняват редица функции, сред които: за създаване на постоянно действащи работни сили - такива са пружините на затягащи устройства, клапанни механизми, триещи съединители (напр. на ДВГ); за акумулиране на механична енергия с цел задвижване на някакъв механизъм – за пружинни двигатели в уредостроенето, в часовникови механизми и др.; за намаляване (омекотяване) на ударни натоварвания – за кранови и вагонни буфери, ресори в транспортните средства; като виброизолатори (демпфери); за измерване на сили, моменти и маси - динамометри, теглилки и др.

Конструктивните форми на пружините са извънредно разнообразни, като характерна за тях е голямата стойност на съотношението на размерите по дължина към размерите на напречното сечение с цел създаването на условия за значителна деформация.

В машиностроенето, уредостроенето, транспортната и ж. п. техника, военната индустрия се използват предимно винтови, дискови (тарелчати), плоско-спирални и прътови торсионни пружини, листови пружини и пакети от тях (ресори), както и някои специални еластични елементи – пластинчати, телескопични буферни пружини, многожилни пружини, семеринги, вълнообразни подложни шайби, клипси и телени огъвки.

Сред най-широко използваните в машиностроенето пружини са винтовите. Предназначени са основно за осово натоварване – на натиск (фиг. 1а) или на опън (фиг. 1б). Те представляват навит по винтова линия изходен материал, най-често тел с кръгло сечение, но се изработват пружини и с квадратно и правоъгълно сечение на телта, а също и многожилни такива.

Краищата на пружината се приспособяват за удобно прилагане на натоварването, като за пружините на опън крайните навивки са оформени като уши за монтиране с различна форма и разположение спрямо оста на пружината, а за тези на натиск краищата могат да бъдат шлифовани или притиснати в равнина, перпендикулярно на оста.
Освен винтови цилиндрични пружини се произвеждат и специални пружини с конусна и бъчвообразна форма.

Дисковите (тарелчати) пружини (фиг. 1в) са съставени от еластични конусообразни дискове, наподобяващи тарелка без дъно. Те могат да понасят значително натоварване на натиск при сравнително малка деформация.

Ако натоварващото усилие е въртящ момент, се използват винтови цилиндрични пружини, работещи на усукване, плоско-спиралните пружини (фиг. 1г) или прътовите торсионни пружини (фиг. 1д). Конструкцията на винтовите цилиндрични пружини, работещи на усукване, е аналогична на тези, работещи на опън или натиск, но те се навиват с намалена хлабина между навивките (около 0,5 mm), като краищата им са изправени или имат особена форма за прилагане на въртящия момент.

Листовите пружини са предназначени за напречно натоварване, като изходният материал за тях е с правоъгълно сечение. Пакетите от такива пружини, близки по форма до греда с еднаква якост, са познати като ресори (фиг. 1 е). Листовите ресори основно се използват за еластично окачване на превозни средства, подвижния ж.п. състав, в ковашко пресови и др. машини. В процеса на работа в материала на листовите пружини преобладава напрежението на огъване.

Пластинчатите пружини (лентови огъвки) имат най-различна форма и представляват фасонни листови пружини. Използват се в механизми на обкова, някои съединители и др.

Параметри при проектиране
Основните параметри при проектиране на пружинно устройство са силови и геометрични – силата на опън или натиск, респективно въртящият момент и начинът на тяхното действие, както и някои други данни на пружината. За цилиндричните винтови пружини това са F, N - пружинната сила, диаметрите в mm: d - диаметър на телта; D - среден диаметър на пружината; De - външен диаметър на пружината; Di -  вътрешен диаметър на пружината; Lo - дължина на ненатоварената пружина; L – работна дължина на пружината; m – стъпка; R, N/m – коравина; n - брой на работните навивки; nt - общ брой на навивките; s, mm – деформация (ход) на пружината.

Като допълнителен параметър при избора на винтовите пружини в някои стандарти се въвежда т. нар. индекс на пружината - i = D/d, mm. В табл. 1 са показани препоръчителните стойности за индексите на цилиндричните винтови пружини. Когато пружината трябва да има по-малка коравина, това се постига с увеличаване на броя на работните навивки или се избира по-голяма стойност на индекса и обратно.

Пружините за опън се изработват с допрени навивки (т. е. t = d) по такъв начин, че да се осигури предварително натягане (налягане) между навивките. Това натягане се избира 20-30% от пределното натоварване на пружината, с което тя се изпитва и което предизвиква напрежения в материала на телта, близки до границата на еластичност.

Ако една пружина, работеща на натиск, се деформира до допиране на навивките една до друга, пружината се превръща в твърдо тяло. В този случай се получава остатъчна деформация, като пружината губи част от своите еластични характеристики и не се връща в първоначалното си състояние.

При по-голяма дължина на пружините, работещи на натиск, съществува опасност от изкълчването им при натоварване. Това може да бъде предвидено, като се знае начинът на лагеруване на краищата на пружината. По стандарта DIN 2089-T1 са определени 5 вида опори със съответните изчислителни коефициенти. Ако съществува опасност от изкълчване на пружината, тя се монтира върху дорник или водеща втулка, чийто размери се дават в каталозите. В такива случаи поради триенето между пружината и водещото тяло се препоръчва периодично смазване.

Използват се материали с висока якост и еластичност
При работа на пружините в материала действат значителни напрежения, затова за тяхното изработване се използват материали с висока якост и еластичност, почти изключително – стомани. Изборът на подходящ материал е изключително отговорна задача, от която зависи масата, нормалната работа и дълготрайността на пружината. Необходимо е да се отчетат условията на работа на пружината – вид и големина на натоварването, работна температура, активност на работната среда, магнитни свойства, диаметърът на телта d.

За производството на пружини основно се използва тел с кръгло напречно сечение съгласно европейските норми EN 10270 – 1;2;3. Материалите за пружини са високо въглеродни стомани, легирани стомани с прибавки манган, силиций, ванадий, хром, корозионноустойчиви стомани и бронзове. Те се характеризират със следните свойства:

• Пружинни стомани за всички видове пружини - Сk 65 и Ck 67 с якост Rm=1850 N/mm2 и термоустойчивост до 100°C.
• Легирана стомана за клапанни пружини с висока дълготрайност при динамични натоварвания – 67SiCr5 с якост Rm=2050 N/mm2 и термоустойчивост до 170°C.
• Неръждаеми стомани: с приложение в хранително-вкусовата промишленост - X10CrNi188 с якост Rm=1600 N/mm2 и термоустойчивост до 2501641°C; устойчива на морска вода, почти немагнитна - X6CrNiMo с якост Rm=1350 N/mm2 и термоустойчивост до 300°C; за високи динамични натоварвания –X7CrNiAl177 с якост Rm=1700 N/mm2 и термоустойчивост до 350°C; с висока устойчивост на корозия, студ и високи температури, немагнитна – Inkonel NiCr15Fe7TiAl с якост Rm=1550 N/mm2 и термоустойчивост до 750°C; устойчива на почти всички киселини и основи, без хлор – Hastelloy NiMo16Cr16Ti с якост Rm=1500 N/mm2 и термоустойчивост до 500°C.
• Пружинен, силициево-манганов и берилиев бронз с висока устойчивост на корозия, немагнитен - CuSn6 с якост Rm=950 N/mm2 и термоустойчивост до 70°C.

За производството на техническите винтови пружини се използват специализирани автомати. Съответната форма на пружината се получава чрез деформация: при по-малки размери на студено с последващо нискотемпературно отпускане, а при по-големи размери - след загряване до 700 - 800°C. За подобряване на еластичността след формообразуването се прилага термообработка по специален режим.

Горещо навити са пружините с диаметър на телта над 15 mm. Цилиндрични и конусни горещо навити пружини на натиск се произвеждат от автоматични линии, на които се извършва нагряване (обикновено с ТВЧ), навиване, закаляване и нормализация. В зависимост от изискванията на документацията се извършват и допълнителни обработки на пружините - шлифоване на опорните навивки; дробеструене; магнитна дефектоскопия.

Пружините от пружинна стомана обикновено са фосфатирани и са с тъмносив до черен цвят. Производителите предлагат и допълнителна антикорозионна защита, като са възможни следните покрития: електролитно поцинковане, кадмиране, химическа оксидация, фосфатиране и лакиране чрез потапяне и пръскане, прахови полимерни покрития. Някои видове покрития са задължителни в автомобилостроенето и за детайли, работещи директно на атмосферни влияния.

Товароносимостта на пружините с отговорно предназначение може да се повиши с 25 - 30%, ако те се подложат на интензивно ударно натоварване (трениране) със сила, предизвикваща наклеп в най-натоварените нишки на материала.

След производството в заводски условия пружините подлежат на контрол на силовите параметри на машини за изпитване на опън - натиск в диапазона 0,05 – 50 000 N и на усукване, а качествата на материала се доказват с използването на 3D микроскоп и твърдомер HRC.