Технически пружини

ПОДОБНИ СТАТИИ

Технически пружини

Характеристики и якостни изчисления
Под действието на приложеното натоварване пружините се деформират, следвайки определена закономерност. При пружините, натоварени с осова сила F, деформацията (хода) s представлява преместването на приложната точка на силата, а при пружините, натоварени с усукващ момент T, ъгълът на завъртане j се отчита в градуси.

За оценка на качествата на една пружина или система от свързани пружини се използва отношението между силата и предизвиканата от нея деформация. Характеристиката на пружината представлява графичната зависимост на еластичната сила от промяната на деформацията на пружината. На фиг. 1 са показани три вида характеристики - линейна (кривата I) и нелинейни - прогресивна (II) и регресивна (III).

Най-често използваните в практиката цилиндрични винтови пружини и плоски пружини с постоянно сечение имат характеристики, близки до линейните. Чрез промяна на средния диaметър на пружината, диаметъра на телта (на навивките) или броя на навивките тази характеристика може да се променя. Като цяло при увеличаване на d (диаметър на тела) пружината става по-твърда (виж фиг. 1), а при увеличаване на D (среден диаметър на пружината) или на n (брой на работните навивки) - пружината става по-мека.

Основен параметър на еластичните елементи, включително и на техническите пружини, е тяхната коравина. С този термин се описва отношението на определено външно натоварване (осова сила или въртящ момент) към деформацията (осова или ъглова), предизвикана от това натоварване. Измерва се в N/mm или Nm/0. Коравината е постоянна при пружините с линейна характеристика. При нелинейните характеристики коравината е променлива и се дефинира в диференциален вид.

В машиностроителните конструкции винтовите пружините могат да работят самостоятелно или като елементи от системи от пружини, понасящи общо натоварване. По този начин за даденото натоварване може да се постигне желана стойност на деформацията, коравината или специална, например начупена или нелинейна, характеристика. Основните начини за свързване на пружините в системи са два - паралелно (с еднаква или с различна дължина) и последователно, като са възможни и комбинации между тези начини.

При деформирането на пружината се акумулира потенциална деформационна енергия (на този принцип работят пружинните двигатели), но последната не може да се отдаде изцяло обратно в механичната система. Загубите при един цикъл от натоварване и разтоварване на пружината определят нейната поглъщаща (демпферираща) способност, която е от важно значение при пружинните буфери и виброизолатори.

Дисковите пружини (наричат се още тарелчати, Белвилиеви) се използват само при натисково натоварване, като имат сравнително голяма коравина при малки осови габарити. Обикновено работят в пакет, монтирани върху цилиндрично стебло. Дисковете могат да се комбинират или един върху друг (с еднакви наклони), или един срещу друг (с противоположни наклони). Пружините със съотношение на дебелината на изходния материал към височината на диска 0,2 до 0,8 имат характеристика, която практически е линейна. 

Якостно изчисляване на пружините
Обикновено при монтиране в съответния механизъм пружините се деформират предварително, при което се създава една предварителна сила в пружината. Тази сила е определен процент от максималната работна сила, която възниква при работата на пружината и с която тя се изчислява якостно.

Граничното (пределно) натоварване е онова, при което все още няма допиране на съседните навивки при пружините на натиск, или при което напрежението в материала на телта за пружините на опън не надхвърля границата на еластичността. Граничното (пределно) натоварване се приема 15 до 20 % по-голямо от максималната работна сила. В детайлния чертеж на пружината стойностите на силите и предизвиканите от тях деформации се дават графично.

Изследванията са показали, че при работа в материала на винтовите пружини действат нормални и тангенциални напрежения, но определящо е тангенциалното напрежение на усукване. Влиянието на останалите напрежения, както и кривината на навивките, се отчитат чрез коригиращи коефициенти.

Ефективността на приложението на материалите с по-висока якост е свързана с намаляване на концентрацията на напреженията и получаване на по-малки сечения на навивките. При избора на материал за пружината е необходимо да се отчете обстоятелството, че масата на геометрично подобни пружини при дадено натоварване и еластична деформация е обратно пропорционална на допустимото напрежение на материала.

Листовите пружини се изчисляват като греди – конзолни или на две опори, подложени на огъване. От известните зависимости се определят необходимите размери на сечението – дебелина и широчина, като предварително се приеме тяхното съотношение, или единият от тях - по конструктивни съображения.

Листовите пружини с постоянно сечение имат линейна характеристика. Системите от листови пружини (ресорите) на тежките транспортни средства се изработват от пакет листове с различна дължина, като по този начин профилът по дължина на ресора се доближава до формата за еднаква якост.

Якостните и деформационните изчисления на дисковите пружини са затруднени от сравнително сложната картина на действащите в материала напрежения и, съответно, сложните зависимости между натоварването, деформацията и геометричните параметри. За ориентировъчно изчисление на необходимата дебелина на тарелката се използват приблизителни зависимости.

При пружини, които са натоварени с периодично променлива сила с изменение на натоварването между една минимална и една максимална стойности, напреженията в материала на пружината също са променливи и тяхното действие във времето води до поява на умора. В този случай е необходимо да се определи динамичният коефициент на сигурност по тангенциални напрежения.

При съвпадане на честотата на цикличното натоварване със собствената честота на масовата система пружина-контактуващ с нея детайл, настъпва резонанс, при който работата на системата става невъзможна. Нелинейната характеристика на пружината намалява опасността от резонансни колебания. Антирезонансната проверка се прави по известните зависимости на динамиката.