Пружины

Пружины — это одна из основных групп элементов механизмов на ряду с крепежными деталями, подшипниками, втулками и т.д. Пружины используются во многих механических системах с аппаратным относительным движением между компонентами.

технические данные пружин

Поскольку движение в большинстве случаев связано с основной функцией механической системы, пружина является жизненно важной частью всей функции. «Оно ничего не сделает, если у него не будет той пружины», если перефразировать один из хитов Дюка Эллингтона.

Пружина может иметь множество геометрических форм. Пружина — это компонент, который упруго деформируется под действием механической нагрузки и в котором важна взаимосвязь между упругой деформацией и нагрузкой.

Соотношение между нагрузкой и прогибом называется характеристикой пружины или жесткостью пружины. Когда разрабатываются механические системы и возникает потребность в пружинной функции, мы определяем требования к соотношению между нагрузкой и деформацией.

 
 

Тип пружины и ее геометрия выбираются на основе геометрического пространства, доступного для функционирования пружины, а также с учетом надежности и стоимости. Есть несколько типов пружин, которые доказали свою эффективность с точки зрения стоимости и функционального пространства для реализации определенных функций пружины. Винтовые пружины, дисковые пружины и волновые пружины обычно используются для осевых сжимающих нагрузок, и каждая из них имеет свой собственный диапазон соотношения сила-прогиб, в котором они обеспечивают наиболее эффективное решение для экономии пространства

Та же ситуация с отклонением с поворотом — спиральные пружины кручения, часовые пружины, торсионы или силовые пружины имеют свой собственный оптимальный диапазон отношения крутящего момента к отклонению. Но компонент, имеющий встроенную функцию пружины, может иметь практически любую форму. Проволоке и листу можно придать сложную форму, и многие такие компоненты выполняют более одной функции, из которых только одна выполняет функцию пружины.

(спиральная) пружина сжатия

Существует несколько различных типов пружин, сила которых увеличивается при уменьшении осевой длины. Винтовые пружины сжатия являются наиболее распространенным типом пружин, и поэтому их часто называют просто «пружинами сжатия». В группу винтовых пружин сжатия входят пружины со множеством геометрических форм. Общим для всех таких пружин является то, что проволока имеет спиральную форму, радиус и шаг намотки которой могут изменяться в зависимости от положения катушки. Нагрузка действует на торцевые витки пружины, которые обычно закрыты, что максимально уменьшает угол наклона на обоих её концах. Концы пружины в большинстве случаев отшлифованы, что центрирует нагрузку в пружине и обеспечивает симметричный прогиб витков

 

Чаще всего используются линейные цилиндрические пружины сжатия с постоянным диаметром витка. Шаг также, за исключением витков с закрытым концом, постоянный. Цилиндрическая пружина прогрессивного сжатия разработана с различным шагом в разных частях пружины. Конические пружины сжатия часто предназначены для сжатия до высоты, равной диаметру проволоки. Характеристика прогиба-нагрузки обычно прогрессивная, но шаг можно менять, чтобы получить близкую к линейной зависимость прогиба-нагрузки. Диаметр витка также может быть в форме бочки или песочных часов, что придает свойства, которые могут быть желательными в определенных применениях.

Пружинные гнезда — это способ минимизировать необходимое пространство для функции пружины. Две или три пружины сжатия размещаются друг в друге, используя пустое пространство внутри пружины. Направление витка пружин попеременно правое и левое.

Преобладают круглые поперечные сечения проволоки, но они могут быть квадратными, прямоугольными, эллиптическими… Осевое отклонение пружины сжатия создает скручивающие напряжения в поперечном сечении проволоки. All types of helical compression springs can be theoretically treated with the use of semi-analytical method as long as the load is axial. Детальный анализ других режимов отклонения требует нелинейного КЭ-анализа.

пружина разжатия

Пружины растяжения представляют собой спиральные винтовые пружины, сила которых увеличивается с увеличением длины. С точки зрения анализа напряжений они очень похожи на винтовые пружины сжатия. Однако противоположное направление нагрузки требует некоторых отличительных особенностей.

Концы пружины растяжения должны передавать усилие растяжения. Наиболее распространенное решение для концов пружины — сгибание проволоки на концах пружины до нужной формы. Это может быть открытый крючок или замкнутая петля, они могут быть размещены для центрирования силы вдоль оси пружины или смещены по центру, высота и диаметр петли могут варьироваться в пределах производственных возможностей.

Подобный вид интегрированного конца пружины растяжения часто становится самым слабым звеном в цепи, если пружина используется в динамических условиях с большим количеством циклов нагрузки.

Это связано с концентрацией напряжений и неблагоприятным распределением остаточного напряжения в сгибе, необходимом для крючка. Данный факт необходимо учитывать при проектировки пружины для применении в высокодинамичных условиях, однако вместо пружины с низкими уровнями напряжений, необходимыми для длительной эксплуатации крючка, часто используются решения с отдельными концевыми фитингами.

 

Витки обычно наматываются плотно и с начальной силой натяжения. Сначала пружина начинает гнуться при превышении внешней силой первоначального натяжения. Начальное натяжение уменьшает монтажную длину пружины по сравнению с пружиной без начального натяжения. Первоначальное натяжение невозможно для пружин растяжения, закаленных и прошедших термическую обработку после наматывания. Также существуют требования к пружинам, которые позволяют проектировку пружин растяжения без начального натяжения и зазора между витками.

ПРУжина кручения

Спиральные пружины кручения используются для вращательных движений и создают крутящий момент при сгибании. Обычно такой крутящий момент скорее используется как сила, которая затем равна крутящему моменту, разделенному на плечо рычага, которое представляет собой перпендикулярное расстояние между действующей линией силы и центром пружины. Некоторые пружины, имеющие спиральную форму  кручения, теоретически лучше рассматривать как проволочные изделия.

Нагрузка передается в корпус пружины через опоры, которые могут быть самых разных форм. Однако основными типами опор являются тангенциальные, радиальные или осевые. Тангенциальные опоры являются самыми простыми — опоры просто следуют по касательной в точку где заканчивается корпус витой пружины. Радиальные опоры имеют конструкцию радиально внутрь или радиально наружу. Разумеется, также возможно любое направление между тангенциальными и радиальными опорами, как и при изгибе опор более чем на 90°. Возможны и часто встречаются также множественные изгибы опор.

Как и для всех торсионных пружин, в идеале нагрузка передается на пружину в виде крутящего момента, а не точечной силы. Это означает, что прогиб и напряжения распределяются в материале пружины более равномерно, если опоры зафиксированы. Действие пары сил на опоры обеспечивает лучшее действие и срок службы пружины по сравнению с одной силой.

Торсионные пружины холодной навивки имеют остаточное напряжение от намотки, и это дает им более высокий предел упругости, если они работают в направлении наматывания а не в направлении разматывания. Пружины часто монтируются на оправке (хотя в этом нет необходимости, если опоры закреплены должным образом), и необходимо избегать уменьшения диаметра оправкой во время действия нагрузки в направлении намотки. В противном случае, опоры будут единственной частью пружины, которые смогут изгибаться, что в результате перегрузки приведет к поломке пружины. То же самое произойдет, если осевого пространства недостаточно для увеличения длины, что является результатом нагрузки в направлении намотки.

Материал винтовой торсионной пружины подвергается напряжению при изгибе. Аналитические методы, реализованные в компьютерных программах, обычно используются для прогнозирования характеристик крутящего момента и прогиба и напряжений. Эти методы основаны на предположении, что нагрузки вводятся в виде крутящего момента или пары сил и что изгибающее напряжение симметрично распределяется в пружине. Опоры вносят значительный вклад в изгибание пружин с небольшим количеством витков и/или длинных опор, что необходимо учитывать в расчетах.

 

проволочные изделия

Проволочные изделия могут иметь практически любую геометрию, насколько это возможно в производстве. Они часто имеют встроенную функцию пружины, другие е функции, такие как блокировка других компонентов во время сборки, также интегрированы в одно и то же проволочное изделие. Действие пружины может быть относительно простым и нередко связано со сборкой и разборкой других компонентов.

 

Состояние напряжения в материале из-за его пружинной функции обычно изгибание. Поскольку геометрия и пограничные состояния часто бывают сложными, характеристика прогиба-нагрузки часто требует определения КЭ-анализа. Тем не менее, в большинстве случаев конструкция изделий из проволоки является результатом обсуждений между заказчиком и нашими техническими специалистами, за которыми следует изготовления образцов проволоки разных размеров, чтобы определить, какой размер дает правильные характеристики нагрузки-прогиба или желаемое «ощущение».

Пружинные зубья

Пружинные зубья получили свое название в честь их применения в сельском хозяйстве, где они используются для обработки почвы или уборки сена. С точки зрения пружины, они имеют форму торсионной пружины с длинными ножками в качестве отличительной особенности. Большинство пружинных стоек представляют собой двойные торсионные пружины, что означает, что каждая ножка имеет два витых пружинных корпуса (правую и левую).

 

В конструкции пружины необходимо учитывать, что нагрузка представляет собой скорее линейное отклонение кончика ноги, вызванное точечной нагрузкой, а не вращение и крутящий момент.

Пружинные зубья подвергаются высокодинамичной нагрузке. Спектр нагрузок по своей природе непредсказуем, поэтому при проектировании необходимо учитывать максимальные циклы динамической нагрузки и запас прочности.

Торсионы

Торсион в своей простейшей форме является геометрически простейшим из всех типов пружин. Активная часть торсиона представляет собой прямую проволоку, а концы могут быть согнуты на 90, чтобы обеспечить передачу крутящего момента на торсион. Жесткость пружины зависит только от длины, марки материала и поперечного сечения проволоки.

 

Этот тип торсионных пружин хорошо подходит, при необходимости минимизировать радиальный размер, но есть свободное пространство в осевом направлении.

Дисковые пружины

Дисковые пружины, также называемые пружинами Бельвилля, относятся к типу пружин сжатия. Они имеют форму осесимметричного конического диска с отверстиями, угол конуса которого уменьшается под действием осевой силы. Напряжения в материале будут нормальными в направлении по окружности диска; сжимающие напряжения на выпуклой стороне и растягивающие напряжения на вогнутой стороне.

Дисковые пружины часто являются лучшей альтернативой спиральным пружинам сжатия в применениях с высокими нагрузками а монтажное пространство относительно мало. При незначительном доступном монтажном пространстве, также подходят дисковые пружины. Дисковые пружины могут использоваться как однодисковые, но чаще они устанавливаются одна на другую. Сборка пружин одна на другую может быть как последовательной, что позволяет увеличивать изгибание, так и параллельной для увеличения нагрузки. Также возможна совмещенная параллельная и последовательная сборка.

Дисковые пружины и сборные дисковые пружины имеют слегка понижающую характеристику усилие-отклонение, что означает, что жесткость пружины уменьшается с отклонением. Насколько выражен этот эффект, в основном зависит от соотношения высоты и толщины конуса.

Размеры дисковой пружины стандартизированы в EN 16983, и часто можно найти решение с желаемыми характеристиками пружин, укладывая стандартизованные диски друг на друга. Возможно также изготовление дисков с размерами по индивидуальному заказу. В стандарте EN 16983 диски разделены на трехмерные серии, где серия A имеет низкое соотношение между высотой конуса и толщиной и, следовательно, имеет почти линейную характеристику усилие-прогиб. Серия C — явно дегрессивные диски, а Серия B — посередине. Серия A — это также более жесткие диски (высокая сила и низкий прогиб), серия C — наоборот.

Диски EN 16983 также делятся на три группы в зависимости от толщины материала и соответствующих требований к производственному процессу. Группа 1 — это диски толщиной менее 1,25 мм, а группа 2 — толщиной от 1,25 до 6 мм. Группа 3 — диски толщиной более 6 мм. Группы 1 и 2 очень похожи с точки зрения пользователя. Диски группы 3 имеют плоские контактные поверхности в точке передачи силы. Это необходимо для увеличения площади контакта и уменьшения контактного давления между дисками, а также между дисками и компонентами, которые передают усилие на пакет тарельчатых пружин. Плоская контактная площадь имеет ширину только около 1/150 внешнего диаметра. Тем не менее, это дает повышенную жесткость пружины, которая компенсируется производством дисков из материала меньшей толщины.

 

Волновая пружина

Волновые пружины относятся к группе пружин сжатия, в которых сила увеличивается с уменьшением длины. Волновые пружины изготавливаются из плоской прокатной проволоки, что означает почти прямоугольное поперечное сечение, но с естественно закругленными краями. Материал наматывают спиралью с заданным диаметром и количеством витков, но, кроме того, проволоке придают волнообразную форму по длине. Волны имеют форму, близкую к синусоидальной, а количество волн на виток обычно составляет 3,5 или 4,5, но может иметь другие значения в зависимости от диаметра витка. Десятичная часть числа волн на виток всегда равна 0,5, потому что вершина волны должна встречаться и контактировать с впадиной волны следующего витка.

Волновые пружины — лучший выбор типа пружины сжатия в применениях, где пространство, доступное для функции пружины, имеет торовидную форму и очень узкое в радиальном направлении, а для небольших монтажных длин требуются относительно высокие нагрузки. Волновые пружины могут быть изготовлены с волнами также в торцевых витках, что дает отсутствие неактивных витков и небольшую монтажную длину. Виток с плоским концом (конец с прокладками) снижает контактное давление, но добавляет неактивный виток на каждом конце и, следовательно, увеличивает монтажную длину.

Волновые шайбы могут быть как закрытыми, так и открытыми. Шайбы с закрытыми волнами изготавливаются штамповкой из листового или линейчатого материала.

Шайбы с открытой волной обычно наматываются из плоской прокатной проволоки таким же образом, как и волнистые пружины.

Напряжения в материале в волновых пружинах и волновых шайбах являются напряжениями изгиба. Каждая волна работает как луч, поддерживаемый в точках контакта. Таким образом, количество волн на виток имеет сильное влияние на жесткость пружины, которая увеличивается с четвертой степенью количества витков на волну.

 

цилиндрические пружины

Цилиндрические пружины используются при сжатии и изготовлены из материала прямоугольного сечения. Материал наматывается на конус, причем витки перекрывают друг друга. Во время сжатия цилиндрической пружины между витками может возникать значительное трение, и цилиндрические пружины часто используются, когда требуется поглощение энергии.

 

Большие цилиндрические пружины ранее использовались в железнодорожных буферах, но во многих аналогичных применениях они были заменены кольцевыми пружинами.

Пружины с двойной спиралью используются в садовых секаторах и скручиваются из V-образной заготовки, образуя пружину, симметричную относительно ее осевого центра.

Материал подвергается в первую очередь кручению, но распределение напряжений и теоретическая обработка цилиндрических пружин довольно сложны.

часовые пружины

Часовые пружины также являются торсионными пружинами но являются прямой противоположностью торсионам, если рассмотреть габариты доступного пространства для действия пружины. Так как  увеличивается изгибание часовой пружины за счет увеличения количества витков, необходимо радиальное пространство. Часовые пружины изготавливаются из материала с прямоугольным поперечным сечением, который представляет собой либо плоскую прокатную проволоку, либо холоднопрокатную или горячепрокатную полосу.

 

Нагрузка передается на пружину через опоры, обычно при изгибе внутрь на 90° по внутреннему радиусу, который вставляется в прорезь в валу. Для внешней части ноги возможны другие варианты формы ноги.

Что касается винтовых торсионных пружин, то приложение нагрузки через пару сил, действующих на опоры, дает гораздо лучшие эксплуатационные качества и динамический срок службы пружины по сравнению с применением нагрузки только в виде точечной силы.

Предполагается, что часовые пружины работают без какого-либо контакта между витками и, следовательно, без какого-либо внутреннего трения. Это возможно только в том случае, если нагрузка приложена к пружине надлежащим образом, то есть через пары сил, а не точечные силы. Когда прогиб и количество витков увеличивается, становится трудно избежать контакта между витками, и мы постепенно переходим к конструкции, которая имеет больше общего с силовыми пружинами.

Силовые пружины

Силовые пружины — название, применимое для плоских спиральных пружин с большим количеством рабочих витков. Типичное применение — наматывание электрических кабелей или ремней безопасности. Они имеют сходство с часовыми пружинами, но длина полосы и количество витков намного больше, а внутреннее трение является естественным в силовых пружинах, поскольку витки находятся в радиальном контакте друг с другом.

Введение нагрузки в силовых пружинах аналогично часовым пружинам с радиально направленной внутрь опорой на самом внутреннем витке, который помещается в вал, как наиболее распространенная конструкция. Внешняя опора может быть сконструирована с большей свободой, но фиксированный внешний конец и передача нагрузки через пару сил обеспечивают симметричное распределение нагрузки в витках и лучшие эксплуатационные качества и динамический срок службы пружины.

Силовые пружины могут быть как стандартно намотанными, так и предварительно напряженными. Предварительное напряжение увеличивает выходной крутящий момент и позволяет рассчитать до 50 рабочих оборотов, в то время как обычные спиральные пружины имеют ограничение примерно на 20 рабочих оборотов. Однако динамический срок службы предварительно напряженных пружин меньше.

Мы часто собираем силовые пружины в их окончательный корпус во время производства, или же поставляем их с временным корпусом, который снимается во время сборки в окончательный корпус. Силовая пружина всегда должна быть предварительно нагружена на пару оборотов, и количество рабочих оборотов отсчитывается от этого положения предварительной нагрузки. Величина предварительной нагрузки зависит от конструкции. Начиная с положения предварительного натяга, характеристика крутящего момента-витка близка к линейной вплоть до точки нагружения, которая оставляет пару витков, прежде чем вся полоса будет плотно намотана по внутреннему диаметру и пружина окажется в твердом положении.

Силовые пружины также могут использоваться в качестве подающей пружины, когда внешний конец ленты наматывается на второй вал. Если полоса намотана в направлении, противоположном ее свободной форме, это называется B-подающей пружиной. Реже встречаются А-образные подающие пружины, когда полоса наматывается в том же направлении, что и ее естественная форма.

 

пружины с постоянной жесткостью

Пружины с постоянной жесткостью — это пружины растяжения, в том смысле, что сила увеличивается с увеличением длины. Однако увеличение силы очень мало, поэтому и называют пружинами постоянной силы. Они состоят из туго намотанной катушки с полосовым материалом, радиус изгиба которой постоянен по всей длине полосы. Пружина собрана так, что катушка может свободно вращаться — либо на валу, либо в пазу, — а внешний конец катушки находится в положении наружу.

Сила, необходимая для вытягивания наружного конца, является результатом баланса крутящего момента с изгибающим моментом, необходимым для выпрямления полосы по ее естественному радиусу изгиба. Существует максимальное ограничение на максимальное усилие пружин с постоянной жесткостью, но они могут быть расположены последовательно и параллельно для увеличения как силы, так и досягаемости. Узлы также могут быть сконструированы для использования пружины в качестве пружины сжатия.

Пружинное кольцо

Пружинные кольца используются для создания радиально направленной силы на круговую геометрию. Пружинное кольцо — это круг, образованный соединением двух концов прямой намотанной спиральной пружины. Размеры прямой винтовой пружины выбираются для достижения желаемой характеристики силового отклонения для пружинного кольца.

 

стопорные кольца

Стопорные кольца — это кольца, используемые для фиксации компонентов в осевом направлении. Они имеют удлинение в окружном направлении от 270° до 360° и используются либо для внутреннего монтажа в отверстии, либо для внешнего монтажа на валу. Требование к пружине, которому они должны соответствовать, часто ограничивается радиальным расширением или сжатием до максимального или минимального диаметра, необходимого во время монтажа. Это расширение или сжатие должно находиться в пределах эластичного рабочего диапазона стопорного кольца.

Заусенцы на концах стопорного кольца могут нанести ущерб окружающим компонентам в узлах, закрепленных стопорными кольцами. Заусенцы можно свести к минимуму или полностью удалить с помощью специальных методов резки или удаления заусенцев. Снятие напряжений после наматывания важно для стопорных колец, которые расширяются во время монтажа. Любая пластическая деформация во время монтажа приведет к потере силы запирания по сравнению с ожидаемой.