Pružiny
Pružiny sú jednou zo základných skupín prvkov strojov spolu so spojovacími prvkami, ložiskami, priechodkami atď. Pružiny sa používajú v mnohých mechanických systémoch, ktoré majú vstavaný relatívny pohyb medzi komponentmi.
Technické informácie o pružinách
Pretože pohyb je vo väčšine prípadov spojený s primárnou funkciou mechanického systému, je pružina dôležitou súčasťou celej funkcie. „Bez pružiny by nebolo muziky“ ak parafrázujeme jeden z hitov Duka Ellingtona.
Pružina môže mať veľa geometrických tvarov. Pružina je komponent, ktorý sa elasticky deformuje pri mechanickom zaťažení a kde je dôležitý vzťah medzi elastickou deformáciou a zaťažením.
Vzťah medzi zaťažením a deformáciou sa nazýva charakteristika pružiny alebo tuhosť pružiny. Keď sa vyvíjajú mechanické systémy a vznikne potreba pružinovej funkcie, definujeme požiadavku na vzťah medzi zaťažením a deformáciou.
Typ pružiny a jej geometria sa vyberajú na základe geometrického priestoru, ktorý je k dispozícii pre funkciu pružiny, spolu s ohľadom na spoľahlivosť a cenu. Existuje niekoľko typov pružín, ktoré sa preukázali ako nákladovo a priestorovo efektívne spôsoby realizácie určitých funkcií pružín. Špirálové pružiny, diskové pružiny a vlnové pružiny sa zvyčajne používajú na axiálne zaťaženie tlakom a každá z nich má svoj vlastný rozsah vzťahu sila-deformácia, kde poskytujú priestorovo najefektívnejšie riešenie.
Je to podobné ako pri rotačnom vychýlení, kde každá zo špirálových torzných pružín, hodinových pružín, torzných tyčí alebo silových pružín má svoj vlastný optimálny rozsah vzťahu krútiaci moment – deformácia. Ale komponent, ktorý má zabudovanú funkciu pružiny, môže mať prakticky akýkoľvek tvar. Drôty a plechy sa dajú tvarovať do zložitých tvarov a veľa takýchto komponentov má viac ako jednu funkciu, z ktorých iba jedna je pružinová.
(Špirálové) Tlačné pružiny
Existuje niekoľko rôznych typov pružín, kde sila rastie, keď sa zmenšuje osová dĺžka, ale špirálové tlačné pružiny sú najbežnejším typom pružín zo všetkých, a preto sa často nazývajú iba „tlačné pružiny“. Aj v rámci skupiny špirálových tlačných pružín existuje veľa geometrických tvarov. Spoločné pre všetky je to, že drôt je tvarovaný do špirálovitého tvaru, kde sa polomer navíjania a rozstup môžu meniť podľa polohy závitu. Zaťaženie sa zavádza do pružiny na koncových závitoch, ktoré sú zvyčajne zatvorené, čo znamená, že uhol stúpania sa na obidvoch koncoch zmenšuje čo najviac. Konce pružiny sú vo väčšine prípadov zbrúsené, čo vycentruje zaťaženie v pružine a poskytuje symetrickú deformáciu závitov.
Najbežnejšie sú lineárne, valcové tlačné pružiny, ktoré majú konštantný priemer vinutia. Rozstup je tiež konštantný, s výnimkou závitov s uzavretým koncom. Valcová progresívna tlačná pružina je navrhnutá s rôznym rozstupom v rôznych častiach pružiny. Kónické tlačné pružiny sú často navrhnuté tak, aby umožňovali stlačenie do výšky rovnajúcej sa priemeru drôtu. Charakteristika zaťaženia-deformácie je zvyčajne progresívna, ale rozostup sa môže meniť tak, aby vznikol vzťah zaťaženie-deformácia blízko lineárneho. Priemer závitu môže byť tiež taký, že jeho výsledkom je súdkovitý tvar alebo tvar presýpacích hodín, čím sa získavajú vlastnosti, ktoré môžu byť požadované v určitých aplikáciách.
Pružinové hniezda sú spôsob, ako minimalizovať potrebný priestor pre funkciu pružiny. Dve alebo tri tlačné pružiny sú navrhnuté tak, aby do seba zapadli, čo znamená, že sa použije aj inak prázdny priestor vo vnútornom priemere pružiny. Smer vinutia je medzi pružinami striedavý vpravo a vľavo.
Dominuje kruhový prierez drôtu, ale môže byť aj štvorcový, obdĺžnikový, eliptický… Axiálna deformácia tlačnej pružiny spôsobuje torzné napätia v priereze drôtu. Všetky typy špirálových tlačných pružín je možné teoreticky ošetriť použitím semianalytickej metódy, pokiaľ je zaťaženie axiálne. Podrobná analýza ďalších režimov deformácie vyžaduje nelineárnu analýzu FE.
Predlžovacie pružiny
Predlžovacie pružiny sú špirálové pružiny, ktorých sila rastie s rastúcou dĺžkou. Z hľadiska analýzy napätia sú veľmi podobné špirálovým tlačným pružinám. Opačný smer zaťaženia si však vyžaduje niektoré charakteristické znaky.
Konce predlžovacej pružiny musia prenášať naťahovaciu silu. Najbežnejším riešením koncov je ohýbanie drôtu na koncoch pružín do vhodného tvaru. Môže to byť otvorený hák alebo uzavretá slučka, môže byť umiestnený tak, aby vycentroval silu pozdĺž osi pružiny alebo aby bol mimo stredu, výška a priemer slučky sa môžu meniť v medziach výroby.
Tento druh integrovaného konca v predlžovacej pružine sa často stáva najslabším článkom reťaze, ak sa pružina používa v dynamickej aplikácii s mnohými zaťažovacími cyklami.
Je to spôsobené koncentráciou napätia a nepriaznivým rozložením zvyškového napätia v ohybe potrebnom pre háčik. Pri vysoko dynamických aplikáciách je potrebné s tým počítať už pri návrhu, ale namiesto návrhu celej pružiny s nízkou úrovňou napätia potrebnou na prežitie háku sa často používa riešenie so samostatnými koncovými tvarovkami.
Závity sú zvyčajne navinuté pevne a s počiatočnou napínacou silou. Pružina sa začne najskôr deformovať, keď je vonkajšia sila väčšia ako počiatočné napätie. Počiatočné napätie skracuje inštalačnú dĺžku pružiny v porovnaní s pružinou bez počiatočného napätia. Počiatočné napätie nie je možné u ťažných pružín, ktoré sú po navinutí vytvrdené a temperované. Existujú tiež požiadavky na pružiny, ktoré uprednostňujú ťažnú pružinu bez počiatočného napätia a medzeru medzi závitmi.
Torzné pružiny
Špirálové torzné pružiny sa používajú na rotačné pohyby a pri deformácii vytvárajú krútiaci moment. V mnohých aplikáciách sa tento krútiaci moment skôr používa ako sila, ktorá sa potom rovná krútiacemu momentu delenému s ramenom páky, čo je kolmá vzdialenosť medzi činnou čiarou sily po stred pružiny. S niektorými pružinami, ktoré majú tvar špirálovej torzie, by sa dalo teoreticky lepšie zaobchádzať ako s drôtovými formami.
Zaťaženie je do tela pružiny privádzané prostredníctvom nožičiek, ktoré môžu mať rôzne tvary. Základné typy nožičiek sú však tangenciálne, radiálne alebo axiálne. Tangenciálne nožičky sú najjednoduchšie, kde jednoducho sledujú dotyčnicu v mieste, kde končí vinuté pružinové telo. Radiálne nožičky sú buď radiálne dovnútra, alebo radiálne smerom von. Akýkoľvek smer medzi tangenciálnymi a radiálnymi nožičkami je samozrejme tiež možný, rovnako ako nožičky ohnuté o viac ako 90°. Možné a bežné sú aj viaceré ohyby na nožičkách.
Rovnako ako u všetkých torzných pružín je v ideálnom prípade zaťaženie do pružiny zavádzané skôr ako krútiaci moment než ako bodová sila. To znamená, že deformácia a napätia sú v pružnom materiáli rovnomerne rozložené, ak sú nožičky pevné. Silový pár na nožičkách poskytuje lepšiu funkciu a životnosť pružiny v porovnaní s jedinou silou.
Za studena vinuté torzné pružiny majú zvyškové napätie z vinutia, čo im dáva vyššiu medznú pružnosť, ak pracujú v smere navíjania v porovnaní so smerom odvíjania. Často sa montujú na tŕň (aj keď to nie je potrebné, ak sú nožičky správne pripevnené) a musí sa zabezpečiť, aby tŕň nezabránil zmenšeniu priemeru pri zaťažení v smere navíjania. Ak sa to stane, nožičky budú jedinou časťou pružiny, ktorá sa môže zdeformovať, a výsledkom nadmerného zaťaženia bude zlyhanie pružiny. To isté sa stane, ak axiálny priestor nestačí na zväčšenie dĺžky, ktoré je výsledkom zaťaženia v smere navíjania.
Materiál v špirálovej torznej pružine je pri ohybe namáhaný. Na predpovedanie charakteristík deformácie krútiaceho momentu a napätí sa zvyčajne používajú analytické metódy implementované do počítačových programov. Tieto metódy sú založené na predpoklade, že zaťaženia sa zavádzajú ako krútiaci moment alebo ako dvojica a že ohybové napätie je v pružine symetricky rozložené. Nožičky prispievajú veľkou časťou vychýlenia pri pružinách s niekoľkými špirálami a/alebo dlhými nožičkami, čo sa potom musí zohľadniť vo výpočtoch.
Drôtené diely
Drôtené diely môžu mať prakticky akýkoľvek typ geometrie, pokiaľ je to možné vyrobiť. Často majú integrovanú pružinovú funkciu, ale ďalšie funkcie – napríklad blokovanie ďalších komponentov počas montáže – sú integrované do tej istej drôtenej časti. Funkcia pružiny môže byť pomerne jednoduchá a nezriedka sa spája s montážou a demontážou ostatných komponentov.
Režim namáhania materiálu z jeho pružinovej funkcie je normálne ohýbanie. Pretože geometria a okrajové podmienky sú často komplikované, charakteristika deformácie zaťažením na určenie často vyžaduje FE analýzu. Vo väčšine prípadov je však návrh drôtených častí výsledkom diskusií medzi zákazníkom a našimi technikmi, po ktorých nasledujú vzorky v rôznych veľkostiach drôtov, aby sa určilo, ktorá veľkosť dáva správnu charakteristiku deformácie pri zaťažení, prípadne požadovaný „pocit“.
Pružinové hroty
Pružinové hroty sa používajú v poľnohospodárstve na kultiváciu pôdy alebo na zber sena. Z hľadiska pružín majú tvar torznej pružiny s dlhými nožičkami ako rozlišovacím znakom. Väčšina pružinových hrotov sú dvojité torzné pružiny, čo znamená, že každý hrot má dve vinuté pružinové telesá (jedno pravé a druhé ľavé).
Pri návrhu pružiny je potrebné vziať do úvahy, že zaťaženie je skôr lineárnou deformáciou špičky nožičky spôsobenou bodovým zaťažením, a nie otáčaním a krútiacim momentom.
Pružinové hroty sú vystavené vysoko dynamickému zaťaženiu. Spektrum zaťaženia je zo svojej podstaty nepredvídateľné, preto je potrebné návrh urobiť s ohľadom na cykly maximálneho dynamického zaťaženia a s bezpečnostnou rezervou.
Torzné tyče
Torzná tyč je vo svojej najjednoduchšej forme geometricky najjednoduchšia zo všetkých typov pružín. Aktívnou časťou torznej tyče je potom priamy drôt a konce je možné ohnúť o 90°, aby sa umožnil prenos krútiaceho momentu na torznú tyč. Tuhosť pružiny závisí iba od dĺžky a druhu materiálu a prierezu drôtu.
Tento typ torzných pružín je vhodný, ak je potrebné minimalizovať radiálny rozmer, ale v axiálnom smere je k dispozícii priestor.
Diskové pružiny
Diskové pružiny – nazývané tiež bellevillské pružiny – patria k typu tlačných pružín. Majú tvar axiálne symetrického kužeľovitého disku s otvorom, ktorého uhol kužeľa sa pri zaťažení axiálnou silou zmenšuje. Napätia v materiáli budú normálne napätia v obvodovom smere disku; tlakové napätia na konvexnej strane a ťahové napätia na konkávnej strane.
Diskové pružiny sú často lepšou alternatívou ako špirálové tlačné pružiny v aplikáciách, kde sú sily vysoké a deformácie relatívne malé. Ak je dostupný radiálny priestor malý, hovorí to v prospech diskových pružín. Diskové pružiny môžu byť použité ako jednotlivé disky, ale je bežnejšie, že sú stohované. Stohovanie môže byť buď v sérii, čo zvyšuje deformáciu, alebo paralelne pre zvýšenie sily. Je tiež možné kombinované paralelné a sériové stohovanie.
Diskové pružiny a stohy diskových pružín majú mierne klesajúcu charakteristiku vzťahu sily a deformácie, čo znamená, že tuhosť pružiny s deformáciou klesá. To, aký výrazný je tento efekt, závisí predovšetkým od pomeru medzi výškou a hrúbkou kužeľa.
Rozmery diskových pružín sú štandardizované v norme EN 16983 a často je možné nájsť riešenie s požadovanou charakteristikou pružiny stohovaním štandardizovaných diskov. Možné sú aj rozmery špecifické pre zákazníka. V EN 16983 sú disky rozdelené do troch rozmerových sérií, kde séria A má nízky pomer medzi výškou a hrúbkou kužeľa, a preto majú takmer lineárnu charakteristiku vzťahu sila-deformácia. Séria C sú jednoznačne degresívne disky a séria B medzi týmito dvoma. Séria A sú tiež tuhšie disky (veľká sila a malá deformácia), séria C naopak.
Disky v EN 16983 sú tiež rozdelené do troch skupín v závislosti od hrúbky materiálu a zodpovedajúcich požiadaviek na výrobný proces. Skupina 1 sú disky s hrúbkou menšou ako 1,25 mm a skupina 2 s hrúbkou 1,25 až 6 mm. Skupina 3 sú disky s hrúbkou nad 6 mm. Skupina 1 a 2 sú si z pohľadu používateľa dosť podobné. Disky skupiny 3 majú ploché kontaktné povrchy v mieste prenosu sily. To má zväčšiť kontaktnú plochu a znížiť kontaktný tlak medzi diskami a medzi diskami a komponentmi, ktoré prenášajú silu na stoh diskových pružín. Táto sploštená kontaktná plocha má šírku iba asi 1/150 vonkajšieho priemeru. Napriek tomu poskytuje zvýšenú tuhosť pružiny, ktorá je kompenzovaná výrobou diskov z materiálu so zmenšenou hrúbkou.
Vlnové pružiny
Vlnové pružiny patria do skupiny tlačných pružín, kde sila rastie so zmenšujúcou sa dĺžkou. Vlnové pružiny sú vyrobené z plochého valcovaného drôtu, čo znamená prierez takmer obdĺžnikového tvaru, ale s prirodzene zaoblenými hranami. Materiál je stočený do špirálovitého tvaru so stanoveným priemerom a počtom vinutí, ale okrem toho má drôt po celej svojej dĺžke tvar vlny. Vlny majú takmer sínusový tvar a počet vĺn na závit je zvyčajne 3,5 alebo 4,5, ale môžu mať iné hodnoty v závislosti od priemeru vinutia. Desatinná časť počtu vĺn na vinutie je vždy 0,5, pretože vrchol vlny sa musí stretnúť a byť v kontakte s vlnovým údolím nasledujúceho závitu.
Vlnová pružina je najlepšou voľbou typu tlačnej pružiny v aplikáciách, kde priestor dostupný pre funkciu pružiny má tvar torusu a je veľmi úzky v radiálnom smere a na malé dĺžky inštalácie sú potrebné pomerne vysoké sily. Vlnové pružiny môžu byť vyrobené s vlnami aj v koncových závitoch, výsledkom čoho nie sú žiadne mŕtve závity a malá inštalačná dĺžka. Závit s plochým koncom (s podložkou) znižuje kontaktný tlak, ale na každý koniec pridáva mŕtvy závit, a tým zvyšuje dĺžku inštalácie.
Vlnové podložky môžu byť buď zatvorené, alebo otvorené. Podložky s uzavretou vlnou sa vyrábajú vysekávaním z plechu alebo pásového materiálu.
Podložky s otvorenou vlnou sú zvyčajne stočené z plochého valcovaného drôtu rovnakým spôsobom ako vlnové pružiny.
Napätia materiálu vo vlnových pružinách a vlnových podložkách sú ohybové napätia. Každá vlna funguje ako lúč, ktorý je podopretý v kontaktných bodoch. Počet vĺn na závit má preto výrazný vplyv na pružnosť, ktorá rastie so štvrtou mocninou počtu závitov na vlnu.
Kužeľové pružiny
Kužeľové pružiny sa používajú v stlačení a sú vyrobené z materiálu s obdĺžnikovým prierezom. Materiál je zvinutý do kužeľovitého tvaru so závitmi, ktoré sa navzájom prekrývajú. Počas stlačenia kužeľovej pružiny môže medzi závitmi vzniknúť značné trenie a kužeľové pružiny sa často používajú, keď je potrebné absorbovať energiu.
Veľké kužeľové pružiny sa predtým používali v železničných nárazníkoch, ale v mnohých podobných aplikáciách ich nahradili krúžkové pružiny.
Dvojité kužeľové pružiny sa nachádzajú v záhradníckych nožniciach a sú vinuté z polotovaru v tvare V a vytvárajú tak pružinu, ktorá je symetrická okolo axiálneho stredu.
Materiál je namáhaný predovšetkým torzne, ale rozloženie napätia a teoretické spracovanie kužeľových pružín je dosť komplikované.
Hodinové pružiny
Hodinové pružiny sú tiež torzné pružiny a sú priamym protikladom torzných tyčí, ak vezmeme do úvahy tvar dostupného priestoru pre funkciu pružiny, pretože zväčšujeme deformáciu hodinovej pružiny zvyšovaním počtu závitov, čo znamená, že musí byť k dispozícii radiálny priestor. Sú vyrobené z materiálu s obdĺžnikovým prierezom, ktorým je buď plochý valcovaný drôt, alebo pás valcovaný za studena alebo za tepla.
Zaťaženie je do pružiny privádzané prostredníctvom nožičiek, obvykle s ohybom 90° smerom dovnútra na vnútornom polomere, ktorý je pripevnený k štrbine v hriadeli. Pre vonkajšiu nožičku je možných viac variácií tvaru.
Pokiaľ ide o špirálové torzné pružiny, privádzanie zaťaženia prostredníctvom silového páru pôsobiaceho na nožičky poskytuje pružine oveľa lepšie správanie a dynamickú životnosť v porovnaní s privedením zaťaženia iba ako bodovej sily.
Hodinové pružiny majú pracovať bez akéhokoľvek kontaktu medzi závitmi, a teda bez vnútorného trenia. To je možné iba vtedy, ak je zaťaženie do pružiny privedené správnym spôsobom, to znamená skôr prostredníctvom silových párov ako pomocou bodových síl. Keď sa deformácia a počet závitov zvýši, je ťažké vyhnúť sa kontaktu medzi závitmi a postupne prechádzame k dizajnu, ktorý sa väčšmi podobá na silové pružiny.
Silové pružiny
Silové pružiny je názov používaný pre ploché špirálové pružiny s veľkým počtom pracovných závitov. Typické použitie je na navíjanie elektrických káblov alebo bezpečnostných pásov. Podobajú sa hodinovým pružinám, ale dĺžka pásu a počet závitov sú oveľa väčšie a vnútorné trenie je v silových pružinách prirodzené, pretože špirály sú navzájom radiálne v kontakte.
Privádzanie zaťaženia pri silových pružinách je podobné ako v hodinových pružinách, s radiálnou vnútornou nožičkou v najvnútornejšom závite, ktorý zapadá do hriadeľa, čo je najbežnejšia konštrukcia. Vonkajšia nožička môže byť navrhnutá s väčšou voľnosťou, ale pevný vonkajší koniec a privedenie zaťaženia prostredníctvom silového páru poskytuje symetrické rozloženie zaťaženia v závitoch a najlepšie správanie a dynamickú životnosť pružiny.
Silové pružiny môžu byť buď konvenčne zvinuté alebo predpäté. Predpätie zvyšuje výkon krútiaceho momentu a umožňuje konštrukciu až s 50 pracovnými závitmi, zatiaľ čo bežne vinuté pružiny majú limit okolo 20 pracovných závitov. Dynamická životnosť je však u predpätých pružín menšia.
Silové pružiny často montujeme do ich finálneho plášťa počas výroby, alternatívne ich dodávame s dočasným plášťom, ktorý sa uvoľní počas montáže do finálneho plášťa. Silová pružina musí byť vždy predpätá o pár závitov a počet pracovných závitov sa počíta z tejto polohy predpätia. Množstvo predpätia závisí od dizajnu. Počnúc polohou predpätia je charakteristika krútiacich momentov takmer lineárna až k miestu zaťaženia, ktoré ponecháva niekoľko závitov predtým, ako je celý pás pevne navinutý okolo vnútorného priemeru a pružina je v pevnej polohe.
Silové pružiny sa dajú použiť aj ako motorové pružiny, kde je vonkajší koniec pásu navinutý okolo druhého hriadeľa. Ak je pás navinutý v opačnom smere od jeho voľného tvaru, nazýva sa to B-motor. Menej časté sú pružiny A-motora, kde je pás navinutý rovnakým smerom ako jeho prirodzený tvar.
Pružiny s konštantnou silou
Pružiny s konštantnou silou sú ťažné pružiny, to znamená, že sila rastie s dĺžkou. Nárast sily je však veľmi malý, preto názov pružiny s konštantnou silou. Pozostávajú z pevne navinutej cievky z pásového materiálu, ktorej bol daný konštantný polomer ohybu po celej dĺžke pásky. Pružina je zostavená tak, aby sa cievka mohla voľne otáčať – buď na hriadeli, alebo v štrbine – a vonkajší koniec cievky je vytiahnutý.
Sila potrebná na vytiahnutie vonkajšieho konca je výsledkom rovnováhy krútiaceho momentu s ohybovým momentom potrebným na vyrovnanie pásu z jeho prirodzeného polomeru ohybu. Existuje maximálne obmedzenie maximálnej sily pružín s konštantnou silou, ale môžu byť usporiadané do série a paralelne, aby sa zvýšila sila aj dosah. Môžu byť tiež skonštruované tak, aby používali pružinu ako tlačnú pružinu.
Kruhové pružiny
Kruhové pružiny sa používajú na vytvorenie radiálne dovnútra pôsobiacej sily na kruhovej geometrii. Kruhová pružina je kruh, ktorý vzniká spojením dvoch koncov rovnej, vinutej špirálovej pružiny. Rozmery rovnej špirálovej pružiny sa volia tak, aby sa dosiahla požadovaná charakteristika sily a deformácie pre kruhovú pružinu.
Rozperné poistné krúžky
Rozperné poistné krúžky sú krúžky používané na zaistenie komponentov v axiálnom smere. Majú predĺženie v obvodovom smere od 270° do 360° a používajú sa buď na vnútornú montáž do otvoru alebo na vonkajšiu montáž na hriadeli. Požiadavka na pružinu, ktorú musia splniť, je často obmedzená na to, aby bola radiálne roztiahnutá alebo stiahnutá na maximálny alebo minimálny priemer požadovaný počas montáže. Toto roztiahnutie alebo stiahnutie sa musí nachádzať v pružnom pracovnom rozsahu poistného krúžku
Otrepy na koncoch poistného krúžku môžu poškodzovať okolité komponenty v zostavách zaistených poistnými krúžkami. Otrepy je možné minimalizovať alebo úplne odstrániť buď špeciálnymi technikami rezania, alebo začisťovaním. Uvoľnenie napätia po navinutí je dôležité pre poistné krúžky, ktoré sa pri montáži roztiahnu. Akákoľvek plastická deformácia počas montáže povedie k strate zaisťovacej sily v porovnaní s očakávanou.