Пружины Исполнитель

Пружины

Цель занятия: ознакомить студентов с основными параметрами пружин, их назначением, и классификацией.

План:

1.Общие сведения, назначение и классификация

2 Витые цилиндрические пружины растяжения и сжатия

3 Конструкция и основные геометрические параметры

4 Основные расчетные зависимости

5 Практический расчет пружин   материалы и допускаемые напряжения

6 Пример расчета                                                                                                       

 7 Краткие сведения о специальных пружинах

Опорные слова: пружины, растяжение, сжатие, конструкции, расчет, прочность, работоспособность, надежность, допускаемые напряжения, материалы, фасонные пружины

{spoiler=Подробнее}

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Пружины являются одной из широко распространенных дета­лей современных машин, станков и приборов. В конструкции многих механизмов имеются десятки и сотни пружин, выполняющих ответ­ственные и сложные функции.

Упругие свойства пружин позволяют использовать их в следую­щих случаях: чтобы обеспечить силы натяжения или нажатия в муфтах, тормозах, фрикционных передачах и т. п.; для аккумулирования энергии с последующим использованием пружины как двигателя (часовые пружинь^ ударные и падающие механизмы и пр.); для виброизоляции и амортизации ударов (рессоры, амортизаторы, буфе­ры и т. п.); для возвратных перемещений клапанов, кулачковых меха­низмов и т. п.; для измерения сил в динамометрах и других приборах.

Во многих случаях пружины относятся к таким деталям, для кото­рых требуется высокая точность расчета и изготовления. Ошибки могут служить причиной серьезных аварий, парализовать работу механизма, нарушить точность прибора и пр.

Пружины разделяются: 1) по виду воспринимаемой нагрузки (растяжения, сжатия, кручения, изгиба); 2) по форме и конструкции (витые цилиндрические и фасонные, тарельчатые, листовые, плоские, спиральные и др.); 3) по характеристике (постоянной и переменной жесткости).

Наиболее распространены витые цилиндрические пружины растя­жения и сжатия. Поэтому в курсе деталей машин им уделяют основное внимание. Вопросы конструкции и расчета пружин, которые здесь не рассматривают, см. в специальной литературе и справочниках [1], ИЗ], [51].

ВИТЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПРУЖИНЫ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ

Конструкция и основные геометрические параметры

Пружины навивают из проволоки круглого или прямоугольного сечения (рис. 17.1,в). Наибольшее применение имеет круглая прово­лока в связи с меньшей стоимостью, а также благодаря тому, что круглое сечение лучше работает на кручение. Проволоку прямоугольного сечения применяют, как правило

,

для навивки мощных и жест­ких пружин сжатия — при тех же нагрузках, что и для круглых, они имеют меньшие габариты. Своеобразной конструкцией являются многожильные пружины, которые изготовляют из тросов, свитых из небольшого числа (2—6) тонких проволок. Эти пружины обладают повышенной эластичностью, боль­шой статической прочностью и хо­рошей амортизирующей способно­стью. Отрицательным свойством многожильных пружин является сравнительно высокая стоимость и повышенный износ при переменных нагрузках, связанный с трением между проволочками.

В конструкции пружин сжатия и растяжения можно отметить сле­дующие особенности. Пружины сжатия (рис. 17.1, б) навивают с просветом между витками. Для образования опорной плоскости их крайние витки поджимают и сошлифовывают.

Пружины растяжения (рис. 17.1, а) обычно навивают без просвета между витками и даже с предварительным натяжением витков, равным 1/41/3 от предельной нагрузки. Для сое­динения с другими деталями на концах пружины образуют прицепы в виде изог­нутых витков, конических переходов с крючками, ввертных пробок с крючками и т. п. Отгибание витков является про­стым, но менее совершенным способом, так кдк при этом появляется концентрация напряжений и уменьшается прочность.

Пружины характеризуются следующи­ми основными геометрическими парамет­рами (рис. 17.2): d — диаметр проволоки; D — средний диаметр пружины; С =  D/d— индекс пружины; t — шаг вит­ков; H₀— полная высота пружины; i — число рабочих витков; i₀ — полное число витков.

Основные расчетные зависимости

Рассматривая равновесие любой отсеченной части пружины (см. рис. 17.2), можно установить, что в любом сечении витка действует

крутящий момент . При этом напряжение кручения для

круглой проволоки

  (17.1)

где k_B  — поправочный коэффициент, учитывающий кривизну витков (см. табл. 17.1.).

Осевая деформация пружины (сжатия или растяжения) опреде­ляется с помощью интеграла Мора [15].

где T₁ — крутящий момент в сечении витка от приложения единич­ной силы в направлении силы Р;  — длина проволоки рабо­чих витков;— полярный момент сечения круглой прово­локи.

После подстановки и интегрирования получаем

(17.2)

Практический расчет пружин

Для правильного расчета или подбора пружины необходимо знать ее рабочую характеристику (рис. 17.3).

На. рис. 17.3 обозначено: — минимальная (предва­рительная), максимальная и рабочая деформации пружины; Р_min,

Рис. 17.3

Р_max. P_пр  - минимальная (предварительная), максимальная рабо­чая и предельная (по посадке витков в пружинах сжатия и по проч­ности в пружинах растяжения) нагрузки пружины; Р₀, — сила пред­варительного натяжения при навивке пружин растяжения, равная 1/41/3) Р_пр H₀— полная длина ненагруженной пружины; H_пр —

предельная длина пружины по посадке витков у пружин сжатия и по прочности у пружин растяжения; S(0,1 0,2) Ащах — разность между предельной и максимально допускаемой деформациями. Для пружин сжатия (рис. 17.3,а и рис. 17.1,6)

 (17.3)

При определении рабочего числа витков i для пружин сжатия не учитывают поджатые и сошлифованные витки, что составляет примерно 0,751 витка с каждого торца или 1,52 витка всей пружины.

Для пружин растяжения (рис. 17.3,6 и 17.1, а):

—высота прицепа;        (17.4)

Практически для построения рабочей характеристики необходимо

Знать Р_max, Р_min, или  Р_max,   и жёсткость Р/,. При расчете Пружи-

ны эти величины задаются исходя из тех требований, которые предъ­являет к ней конструкция механизма.

Большое влияние на характеристику пружины имеет индекс с = D/d. Чем больше с, тем больше податливость пружины при одном и том же числе витков. Величину с рекомендуют выбирать в зависимости от диаметра проволоки (табл. 17.2).

Диаметр проволоки определяют по формуле [см. формулу (17.1)!

. (17.5)

Затем определяют рабочее число витков [см. формулу (17.2)]

        (17.6)

Остальные параметры определяются по рекомендациям и формулам (17.3) и (17.4)*.

При большом числе витков i высокая пружина сжатия может потерять устойчивость. Поэтому рекомендуют при H/D3 уста­навливать пружины сжатия на оправках или в стаканах.

Порядок расчета дан в примере (см. ниже).

Материалы и допускаемые напряжения

Материал пружины должен обладать высокими и стабильными по времени упругими свойствами и прочностью. Влияние прочности материала на размеры в пружинах проявляется больше, чем в дру­гих деталях. Материал пружин обязательно подвергают термообра­ботке, а в более ответственных случаях дополнительному упрочнению— наклепу, заневоливанию и т. п. (см., например, [51]). Упрочнение повышает несущую способность на 20% и более.

Наиболее распространенным материалом для пружин является высо­коуглеродистая и легированная сталь, а из цветных металлов — бронза.

Рекомендации по выбору материала приведены в табл. 17.3. Там же указаны допускаемые напряжения в зависимости от характера нагрузки и ответственности пружины:

Группа I — нагрузка динамическая, циклически изменяющаяся длительное время; замена пружины затруднена, а ее поломка может привести к аварии (пружины клапанные, тормозные и т. п.).

Гррппа II — нагрузка статическая или плавно и. редко изменяю­щаяся (пружины предохранительных и редукционных клапанов и т. п.).

Группа III — пружины неответственного назначения (дверные, мебельные и т. п.).

Пример расчета

Рассчитать пружину упругой муфты (см. рис. 16. 18) по данным:  Р_max =250 кгс; P_min = 60 кгс;  = 5 мм; нагрузка переменная.

Решение. 1. По рекомендациям табл. 17.3 назначаем сталь 60С2 и []_пр = 40 кгс/мм².

2.      Принимаем Р_пр = 1,2Р_max=300 кгс, при этом

[] =[]_пр /1,2 = 40/1,2 = 33,4кгс/мм²

3.Задаемся с=D/d=5, по табл.  К_в=1,29

4.По формуле (17.5)в=1,6мм, D=11 5=55мм.

5. Определяем 

                                           мм.

6. По формуле (17.6), принимая G=8 10³кгс/мм²

        7. По формуле:

=14,4 мм;    Н_пр=(4-0б5)11=38,5мм ;     ;

Н₀=38,5+2,3(14,4-11)=46,3мм

8. Проверяем   опасности потери устойчивости нет.

Полученные параметры проверяют по размещению в муфте и, если необходимо, делают перерасчет по другому индексу с, материалу и т. п.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРУЖИНАХ

Составные пружины (рис. 17.4,а) применяют с целью уменьшения габаритов при больших нагрузках. Для компенсации момента закручивания на торцах их выполняют с правой и левой на­вивкой.

Ф а с о н н ы е  ш р у ж и н ы (конические, параболоидные и др.) применяют в тех случаях, когда необходимо иметь переменную харак­теристику жесткости (рис. 17.4,6).

Рис. 17.4

Здесь нижние витки входят в соприкосновение раньше, чем верхние. Поэтому длина рабочей части пружины постепенно сокращается, а ее жесткость возрастает.

Тарельчатые пружины (рис. 17.4, е) применяют при стесненных габаритах в случаях больших нагрузок и высокой потреб­ной жесткости.

Пружины кручения (рис. 17.4, а) применяют для обра­зования закручивающих моментов. Здесь проволока работает на изгиб.

Плоские спиральные пружины (рис. 17.4,д) при­меняют как аккумуляторы энергии завода с дальнейшим использо­ванием в качестве двигателя в часовых, лентонатяжных и других механизмах.

Листовые рессоры (рис. 17.4,е) используют для вибро­изоляции и демпфирования колебаний экипажей и других машин. Листы выполняют различной длины так, что форма рессоры прибли­жается к форме балки равного сопротивления. Ниже приводятся единицы Международной системы (СИ) и перевод единиц других систем в единицы СИ тех величин, которые используют в курсе деталей машин.

 Ключевые слова:  пружины,  растяжение, сжатие,   конструкции,   расчет, прочность, работоспособность, надежность, допускаемые напряжения, материалы,  фасонные пружины.

Вывод:   изучив   данную   тему,   студенты   ознакомились параметрами пружин, их назначением, и классификацией.

Контрольные вопросы:

1.Назначение пружин?

2.По каким признакам разделяют пружины?

3.Основные геометрические параметры пружины?

4.Материалы для изготовления пружины?

5.Типы нагрузок?

6.В каких случаях применяют составные пружины?

{/spoilers}