Определение характеристик витых пружин растяжения и сжатия

15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИТЫХ ПРУЖИН

РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ
(лабораторная работа № 15)

Цель работы:  исследование зависимости изменения деформации пружин растяжения и сжатия от геометрических и силовых параметров, ознакомление с типами пружин, их конструкциями.

Краткие теоретические сведения

Пружины используются в различных машинах и приборах. При помощи их создается постоянная сила нажатия и натяжения между деталями машины или прибора (во фрикционных передачах, муфтах тормозах и.т.п), виброизоляция, автоматизация ударов (амортизаторы , буферы, рессоры и т.п), аккумулирование энергии с последующим использованием пружины как двигателя (часовые и прочие пружины), измерение сил (в динамометрах и других измерительных приборах).

По форме и конструкции пружины бывают витые, цилиндрические и конические, тарельчатые, кольцевые, стержневые, блочные, спиральные, плоские, рессоры.

По виду нагружения различают пружины растяжения, сжатия, кручения и изгиба.

Примерная классификация пружин по указанным признакам приведена на (рис. 15.1)

В машиностроении чаще используются пружины из круглой проволоки, так как они дешевле других, лучше работают на кручение. Пружины с витками квадратного и прямоугольного сечения (рис. 10.1,в ) применяют при больших нагрузках, а также когда из-за сложности навивки пружины нужно вырезать из трубы. Это пружины сжатия. В массовом и крупносерийном производстве витые пружины изготавливают на специальных  станках-автоматах. В остальных случаях производят на токарных станках.

Технология навивки зависит от индекса изготовляемой пружины. Для пружин с витками круглого сечения индекс , где D – средний диаметр пружины и d – диаметр проволки. Чем меньше индекс c, тем труднее навивать пружины. Обычно c = 4 – 12.

Пружины заневоливают с целью повышения их несущей способности. Заневоливание – это технологический прием, заключающийся в том что, пружину на определённое время (6 – 48 ч ) предельно нагружают до соприкосновения витков при этом в наружных наиболее нагруженных слоях витков возникают остаточные деформации  (остаточные напряжения), по знаку противоположные рабочим, в результате чего наибольшие суммарные напряжения снижены.

Пружины сжатия навивают так называемой открытой навивкой, обеспечивающей определенный зазор  между витками (рис. 15.1, б, в, г).

Пружины растяжения делают с закрытыми витками, плотно прилегающими друг другу (рис. 15.1, а).

Чтобы витки плотно прилегали, проволку в прочесе навивания натягивают, подвергая её тем самым упругой деформации растяжения. Такая навивка называется закрытой. При снятии готовой пружины с оправки происходит упругая отдача материала, пружина раздается в диаметре, и витки настолько плотно прилегают друг к другу, что вся пружина приобретает предварительное натяжение, вследствие чего увеличивается её несущая способность.

Пружины растяжения диаметром до 3 мм обычно выполняют с прицепами в виде изогнутых витков (рис. 15.2, а, б). В метах отгиба концентрируются напряжения, что  снижает несущую способность пружины. Поэтому для ответственных сильно напряженных пружин применяют прицепы с коническим переходом (рис.15.2, в), закладные прицепы с заделкой (рис. 15.2, г) и крепления с помощью пластин (рис. 15.2, д). Наиболее совершенно крепление ввертными винтовыми пробками с крючками (рис.15.2, е) для пружин с диаметром проволки свыше 5 мм.

Для того чтобы нагрузка на пружину сжатия передавалась по оси пружины и чтобы уменьшить напряжения изгиба концевых винтов, их поджимают к соседним виткам, а торцевые поверхности пружины шлифуют перпендикулярно её оси.

Пружины сжатия, у которых  (длина пружины в свободном состоянии), в процессе работы могут выпучиваться (рис. 15.3, а), поэтому их необходимо ставить на оправки или монтировать в направляющих стаканах (рис. 15.3, в) (реже – большего числа) вложенных одна в другую цилиндрических пружин. Уменьшают габариты конструкции.

Применяются также многожильные пружины из двух, трёх и большего числа проволок, свитых в трос (см. сечения тросов на рис. 15.3, б),

Конические пружины могут иметь витки круглого (рис.15.1, г) и прямоугольного сечений с большим отношением сторон. Последние навивают из полосовой стали и называют телескопическими (рис. 15.1, д).

Витые цилиндрические одножильные пружины из проволки круглого сечения характеризуются следующими основными геометрическими параметрами (рис.15.4) диаметр проволоки (сечение витка) – d; средний диаметр пружины – D; индекс пружины – с; шаг витков – t; угол подъёма витка – , ; длина рабочей части пружины - ; число рабочих витков – n.

Шаг витка, угол подъёма витков и длины рабочей части пружины рассматривают отдельно в ненагруженном и нагруженном состояниях.

Чем податливее должна быть пружина, тем большим берут индекс пружины c и число витков. Индекс пружины выбирают в независимости от диаметра проволоки в следующих пределах.

d, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . до 2,5   3. . .5   6. . . 12,

c, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. . . 12   4 . . . 10   4 . . . 9.

Увеличив индекс пружины, можно при той же жесткости сократить габариты пружины по длине за счёт увеличения диаметра, и наоборот, уменьшив индекс пружины, можно уменьшить диаметр пружины за счёт увеличения длины.

а                                                                            б

в                                               г

д                                                                             е

 

Рис. 15.2. Прицепы пружин растяжения: а, б – изогнутые витки; в – с коническим переходом; г, д – закладные, е – ввертные винтовые пробки.

Силовые факторы, действующие в любом поперечном сечении пружин растяжения и сжатия, сводятся к моменту  вектор которого перпендикулярен оси пружины и силе  действующей вдоль оси пружины (рис. 15.4).

Момент M раскладывается на крутящий Т и изгибающий М моменты:

              (15.1)

а                                                            б

в

Рис. 15.3. Способы установки пружин сжатия: а – без оправки;

б – на оправке или в стакане; в – составные

В большинстве пружин угол подъема витков (10 – 12.) Расчёт этих пружин можно вести только на кручения по моменту  пренебрегая другими силовыми факторами ввиду их малости. Возникающее на внутренних волокнах максимальное напряжение кручения

(15.2)

где А – коэффициент, учитывающий кривизну витков, ;

 - полярный момент сопротивления сечения проволоки.

Допускаемые напряжения кручения [] для пружин при статической нагрузке приведены на рис. 15.5, где отдельные кривые относятся к пружинам из проволоки: 1 – вольфрамовой и рояльной; 2 – хромованадиевой; 3 – углеродистой, закаленной в масле; 4 – углеродистой холоднотянутой; 5 – Монель – металла; 6 – фосфорной бронзы; 7 – специальной латуни. При пульсирующей нагрузке с большим числом циклов допускаемые напряжения  следует принимать в 1,25 – 1,5 раза ниже.