какие виды пружин бывают
Пружина. Виды и применение. Жесткость и нагрузка. Особенности
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 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:
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.
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:
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:
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.
Разновидности пружин
Общее наименование «пружина» идентифицирует упругие элементы, аккумулирующие и передающие/возвращающие энергию, полученную в ходе изменения своей внешней конфигурации под воздействием нагрузок различных видов. Энергия восстанавливается, когда данное изделие, деформированное под нагрузкой, приобретает исходное состояние. Функции, выполняемые пружиной, зависят от ее формы и типа.
Классификация
Подразделение пружин на виды осуществляется по нескольким критериям. В частности, такие, как «конструкция» и «тип нагрузки». Существует еще один критерий. Это – «тип пружины». Однако он является производным от первых двух. Рассмотрим более подробно состав групп, сформированных на основе данных критериев.
Конструкция
По признаку «конструктивное исполнение» пружины бывают ниже перечисленных видов.
Винтовые. Получили очень широкое распространение. Работают как на растяжение, так и на сжатие. Винтовые пружины отличает простота изготовления и надежность конструкции.
Производят их горячей либо холодной навивкой проволоки на специальные приспособления – оправки. Упругие элементы данного вида, в свою очередь, подразделяются:
по виду оправки – параболоидные, конусообразные и цилиндрические.
Изготовление пружин сжатия предусматривает наличие между витками определенного зазора. При этом крайние витки должны быть поджаты к соседним виткам. Также их обычно шлифуют по плоскости, расположенной относительно продольной оси пружины под прямым углом.
Торсионные. По внешнему виду схожи с винтовыми, но их отличие – функционирование «на кручение». Принцип действия такой: к пружине приложены две силы, векторы которых ориентированы перпендикулярно относительно ее продольной оси. Соответственно, работают эти силы в параллельных плоскостях. Торсионом, находящемся в рабочем состоянии, продуцируется крутящий момент мощностью, достаточной для балансировки крупногабаритных механизмов.
Встречается в виде основного элемента подвески внедорожников и в многопоточных редукторах. В последнем варианте торсионные пружины выполняют функцию выравнивания моментов между параллельными трансмиссиями.
Спиральные. Пружина данного вида представляет собой своеобразное механическое устройство – свернутую металлическую проволоку/ленту, хранящую и высвобождающую энергию для поглощения внешних импульсных воздействий и для нивелирования усилий по вытягиванию либо, наоборот – сжатию между объектами.
Спиральные пружины используются в механических часах, в пылесосах, оснащенных устройством втягивания шнура электропитания по завершению работы, рулетках и т.д.
Тарельчатые. Упругие элементы данного вида применяются при необходимости обеспечения устойчивости соединения к воздействию высоких силовых нагрузок, когда возникают несущественные деформации. Ниже представлен набор изображений, помогающий понять их устройство.
На Рис. «а» показано, как выглядит элемент тарельчатой пружины. Повышение несущей способности достигается путем обжатия всей конструкции до полного распрямления. Такое технологическое решение обусловливает возникновение остаточных напряжений противоположного знака.
Податливость пружин данного типа повышается за счет последовательной установки тарелок (Рис. «б»). Еще один способ, позволяющий повысить несущую способность этих изделий – замена отдельных элементов пакетами (Рис «в»). Тарельчатые пружины могут активно сглаживать энергию колебаний. Для этого, наряду с пакетами элементов, применяют совместно с пружинами еще и плоские шайбы (Рис. «г»)
Волновые. По своим рабочим характеристикам упругие изделия данного вида близки к витым стандартным пружинам, работающих на сжатие, либо к пружинам тарельчатой разновидности. Однако у волновых имеется одно существенное преимущество. Заключается оно в следующем: при идентичном значении допустимой нагрузки их геометрические размеры меньше где-то на 50%.
Эта особенность волновых пружин позволяет применять их в узлах, требующих экономии пространства не в ущерб заданному рабочему ходу. Таким образом, использование данных изделий позволяет значительно уменьшить размеры определенного узла, а, следовательно, и всего создаваемого механизма, сокращая тем самым производственные расходы.
Газовые. Роль упругого элемента в пружине данного вида играет газ, закачанный под давлением в цилиндрический герметичный корпус. Кроме того, в этом корпусе имеется и масло. Газ предоставляет возможность накапливать энергию. Масло осуществляет демпфирование (сглаживание, замедление) перемещения поршня, а также обеспечивает смазку рабочих поверхностей узла.
Газовые пружины применяются во многих отраслях промышленного производства. Например, в автомобилестроении их примерный конструктивный аналог служит в качестве лифта-поддержки крышки багажника транспортного средства. Чтобы понять принцип их действия, просмотрите очень информативное видео. Его запуск осуществляется путем наведения курсора на ниже размещенное изображение с последующим одновременным нажатием клавиши «Сtrl» и левой кнопки мышки.
Характер нагрузки
Продолжая разговор о классификации пружин, необходимо назвать такой критерий, как «Характер нагрузки». На его основе можно выделить следующие разновидности исполнения этих упругих элементов:
нагрузка на изгиб. Пружины данного вида под внешним воздействием изменяют свои размеры незначительно. Наиболее характерный пример – автомобильная рессора. Также на изгиб работают стопорные элементы, пружины тарельчатого и торсионного типов и др;
нагрузка на кручение. Принцип действия упругого элемента данного вида основан на восприятии крутящего момента, который воздействует на его торец. В результате витки изгибаются в плоскости действия приложенного момента.
Работа пружины характеризуется большей устойчивостью, когда крутящий момент не раскручивает ее (Рис.I), а наоборот, скручивает (Рис.II.) В соответствии с этой спецификой необходимо подбирать как расположение упоров, так и направление навивки. Если крутящий момент направлен против часовой стрелки по отношению к торцу пружины, тогда навивка должна быть правой, и наоборот.
Упругие элементы данного вида все мы знаем еще с детства. Они задействованы в мышеловках, дыроколах, прищепках для развешивания белья и в канцелярских степлерах;
Современная металлургическая промышленность производит пружины, работающие на сжатие/растяжение, нескольких конфигураций, основные из которых представлены на рисунке.
I. Цилиндрическая форма с постоянным расстоянием между витками.
II. Цилиндрическая форма со сменным интервалом между витками.
III. Конфигурация, напоминающая бочонок.
IV. Конструкция конической формы.
V. Форма, схожая с песочными часами. Научное название – гиперболоид.
Производятся данные упругие элементы из рессорно-пружинных сталей определенных марок – Cт.70, Cт.65Г, Ст.55C2, Ст.60C2A. В качестве сырья используется проволока с круглым сечением, размер которого варьируется в пределах min 0,3 мм; max 40 мм.
Прохождение пружинами процедуры термообработки обеспечивает сохранность упругих свойств и конфигурации на протяжении всего периода эксплуатации. Что же касается нанесения защитного покрытия, то здесь, по мнению экспертов, должно соблюдаться одно ограничение. Формулируется оно так: подвергать оцинковке пружины, сечение витка которых превышает 8 мм, не рекомендуется. В ходе этого процесса происходит явление наводораживания металла, обусловливающее уменьшение его длительной прочности и пластичности. По этой причине материал, и, следовательно, изготовленная из него пружина, становятся хрупкими.
Заключение
Подводя итоги, следует отметить, что в настоящий момент получили широкое распространение пружины, практически всех перечисленных видов. Используются они при необходимости создания различных механизмов, в том числе ответственных. Проведение расчетов пружин преследует цель определить их основные технические характеристики, а также силу воздействия на сопрягаемые элементы конструкции, например, на подвеску легкового автомобиля. В число важных параметров, подлежащих учету при выборе конкретного образца подобного изделия, входит коэффициент жесткости. Узнать его можно из справочников.
Виды и типы пружин
Довольно часто при изготовлении различных механизмов применяется пружина. Подобное изделие может стать частью самых различных устройств, так как отвечает за возврат приложенного усилия. Встречаются различные виды пружин, классификация может проводится по огромному количеству признаков. Если использовать неподходящий вариант исполнения пружины, то она не обеспечивает требуемую функциональность. Рассмотрим особенности этого изделия подробнее.
Типы и виды пружин
Как ранее было отмечено, изготавливаются различные виды пружин, все они обладают своими определенными особенностями, которые стоит учитывать. Классификация проводится по конструктивным признакам. Выделяют следующие типы пружин:
Рассматривая все о пружинах следует уделить внимание также классификации по характеру нагрузки. По этому признаку выделяют следующие варианты исполнения:
Приведенная выше информация указывает на то, что есть просто огромное количество различных видов пружин, которые применяются в качестве основных элементов различных механизмов.
Пружинная проволока
Пружинная проволока, накрученная по определенной форме, служит в качестве основного материала при изготовлении рассматриваемого изделия. Она обладает определенными свойствами, к примеру, отличия растяжения и сжатия. Среди особенностей отметим следующие моменты:
Изготавливается пружинная проволока методом проката.
При этом для повышения основных свойств проводится термическая обработка, которая позволяет существенно повысить твердость, износостойкость и другие качества.
В продаже можно встретить пружинную проволоку, которая применяется при создании рассматриваемого изделия. Для этого используется специальное оборудование накручивания и центрирования.
Центрирование пружин
На момент производства изделия проводится процедура центрирования. Она возможна только при применении специального оборудования. Среди особенностей отметим:
Провести процедуру центрирования без специального устройства практически невозможно. Это связано с тем, что применяемая проволока после принятия своего положения сохраняет ее на протяжении всего последующего периода.
Шарнирная установка пружин
Довольно часто проводится шарнирная установка различных видов пружин. Примером можно назвать создание подвески автомобиля, которая предназначена для стабилизации кузова и гашения колебаний. Особенностями подобного применения назовем следующее:
Шарнирная установка встречается в самых различных ситуациях. При этом важно подобрать наиболее подходящий вид пружины, так как не все подходят для рассматриваемого случая.
Расчет пружин
Довольно большое распространение получили цилиндрические виды пружины, которые представлены определенным сочетанием витков. Принцип действием изгиба несколько отличается от сжатия, что стоит учитывать. Сред особенностей проводимых расчетов отметим следующие моменты:
Основные показатели рассчитываются для того, чтобы подобрать наиболее подходящий вид пружины.
Устойчивость пружин
Рассматриваемое изделие характеризуется довольно большим количество особенностей. Довольно распространена характеристика, связанная с непосредственной устойчивостью пружины при установке. Среди особенностей этого показателя отметим следующие моменты:
Отличительной особенностью можно назвать то, что конический вид изделия характеризуется сугубо нелинейной характеристикой из-за равномерного изменения величины диаметра всех витков.
Резонансные колебания
Довольно высокий показатель пластичности витков определяет то, что есть большая вероятность возникновения резонансного колебания. Подобная ситуация связана с довольно большим количеством опасностей, так как может привести к снижению прочности механизма. Особенностями подобного параметра можно назвать следующее:
Стабилизация пружины проводится самым различным образом. Стоит учитывать, что резонансные колебания увеличиваются в случае повышения показателя длины. При этом набольшее отклонение наблюдается в центральной части витков.
Составные пружины
Пружина составного типа используются в случае больших нагрузок. Среди особенностей отметим:
Подобный вариант исполнения получил весьма широкое распространение, устанавливается на автомобилях и другом оборудовании. Не стоит забывать о том, что за счет увеличения количества пружин существенно повышается стоимость изделия.
Конические пружины
Как ранее было отмечено, для существенного повышения устойчивости в последнее время часто применяется пружина конического типа. Она характеризуется нижеприведенными особенностями:
Подобный вид пружины характеризуется сложностью в производстве. Именно поэтому существенно повышается стоимость изделия.
Призматические пружины
Может проводится также установка призматических пружин. Этот вариант исполнения характеризуется достаточно большим количеством недостатков. Свойствами изделия можно назвать следующее:
Специалисты рекомендуют проводить подобный вид пружины только в том случае, когда другие не подходят. Именно поэтому они не получили широкое распространение и применяются крайне редко.
Характеристики пружин
Выделяют определенные характеристики пружин, которые должны учитываться при выборе наиболее подходящего варианта исполнения. Основными можно назвать следующее:
Кроме этого, при выборе уделяется внимание качеству пружин. Другие подходящие свойства подбираются путем проведения соответствующих расчетов.
При рассмотрении основных свойств также следует уделить внимание нижеприведенным параметрам:
Кроме этого, уделяется внимание и типу применяемого материала при изготовлении проволоки. В большинстве случаев выбирается специальный высокопрочный сплав, который применяется при изготовлении практически всей проволоки. Кроме этого, в зависимости от особенностей конкретного случая используется кремнистая, хромованадиевая, высокоуглеродистая и некоторые другие стали.
Для изготовления варианта исполнения, который эксплуатируется в химически агрессивной среде, следует использовать цветные сплавы.
Они обходятся намного дороже обычных, но обладают более высокими эксплуатационными характеристиками.
Применение пружин
Рассматриваемое изделие на сегодняшний день получили весьма широкое распространение. Они устанавливаются для совершения возвратно-поступательного движения. Сред особенностей отметим:
Рассматривая назначение подобного изделия следует учитывать, что оно может иметь самую различную форму.
В пресс-формах и штампах
Довольно часто рассматриваемое изделие встречается в пресс формах, которые применяются на производственных линиях. Ключевыми моментами подобных механизмов можно назвать следующее:
Пресс форма работает по принципу выдавливания определенной поверхности за счет оказания сильного воздействия.
В огнестрельном оружии
В огнестрельном оружии пружина также отвечает за работу магазина. Она требуется для подачи патрона к отверстию в пусковой отверстие.
В механизмах постоянной силы
Встречается довольно большое количество различных механизмов постоянной силы. Они характеризуются следующим:
Для того чтобы подобрать подходящий вид пружины следует провести соответствующие расчеты. При этом определяются основные параметры, к примеру, диаметр витков и ширина проволоки.
Коэффициент жесткости
Довольно важным параметром можно назвать коэффициент жесткости. Он указывается для каждого вида пружины, учитывается при проведении самых различных расчетов. Ключевыми моментами назовем следующее:
Подобный показатель берется со справочников. Он требуется для определения самых различных параметров, к примеру, величина кинетической энергии.
В заключение отметим, что на сегодняшний день распространены практически все виды пружин. Они используются в случае создания различных ответственных механизмов. При расчетах проводится определение основных параметров, а также силы, которая оказывается на тело. Примером можно назвать кинетическую энергию или период колебания. Все расчеты можно провести самостоятельно, для чего используются различные формулы.