Что такое пружина: пружинный винты

Назначение, конструкция и материалы пружин.

Пружины благодаря своим упругим свойствам получили широкое применение в различных машинах и приборах. Они предназначены для

  • создания достоянной силы нажатия и натяжения между деталями машин или прибора (во фрикционных передачах, муфтах, тормозах и т. п.);
  • виброизоляции и амортизации ударов (амортизаторы, буферы, рессоры и т. п.);
  • аккумулирования энергии с последующим использованием пружины как двигателя (часовые и прочие пружины);
  • измерения сил (в динамометрах и других измерительных приборах).

По конструкции различают, пружины:

  • винтовые — цилиндрические одножильные, многожильные и составные, конические и фасонные;
  • тарельчатые;
  • плоские спиральные;
  • листовые рессоры.

Винтовые пружины изготовляют из проволоки в большинстве случаев круглого, а иногда прямоугольного сечения. Материал проволоки для пружин — стали (ГОСТ 14959-69): высокоуглеродистые 65, 70, 75, марганцовистые 65Г, 55ГС, кремнистые 55С2, 60С2, 60С2А, 70СЗА, хромомарганцовистая 50ХГ, хромованадиевая 50ХФА, кремневольфрамистая 65С2ВА и кремнийникелевая 60С2Н2А. Для пружин, работающих в химически активной среде, применяют проволоку из бронз БрКМцЗ-1, БрОЦ4-3 и др.

Рис. 1

Винтовые цилиндрические одножильные пружины (рис. 1) широко применяют в общем машиностроении, так как они просты по конструкции и удобны при установке их на рабочее место. Чаще других применяют пружины из проволоки круглого сечения, так как напряжения и деформации в них распределяются более равномерно и стоимость их по сравнению с другими пружинами наименьшая. Пружины из проволоки квадратного или прямоугольного сечения применяют лишь при больших сжимающих нагрузках. Назначение винтовых цилиндрических пружин различное. Винтовые многожильные (рис. 2, а) и составные (концентрические) пружины (рис. 2, б) применяют при больших нагрузках в целях уменьшения габаритных размеров, а винтовые конические (рис. 2, в) и фасонные — при необходимости иметь переменную жесткость. Тарельчатые пружины (рис. 2, г) составляют из конусных дисков (тарелок). Применяют при больших нагрузках и относительно малых габаритных размерах, например в качестве буферов в различных амортизаторах. Тарельчатое пружины нормализованы ГОСТ 3057—79. Материал пружин — кремнистая сталь 60С2А. Плоские спиральные пружины (рис. 2, д) изготовляют из тонкой высококачественной углеродистой стальной ленты. Применяют в качестве заводных для аккумулирования энергии завода, которая используется в часовых механизмах, автоматическом оружии и т. д. Листовые рессоры (рис. 2, е) для повышения демпфирующей способности составляют из стальных листов различной длины. Применяют для упругой подвески автомобилей, железнодорожных вагонов и других транспортных средств. Рессоры изготовляют из кремнистой стали 60С2 и 60С2А.

Рис. 2

Так как в общем машиностроении наиболее распространены винтовые цилиндрические пружины из проволоки круглого сечения, то подробно рассмотрим только эти пружины. В зависимости от вида воспринимаемой нагрузки различают винтовые цилиндрические пружины сжатия (см. рис. 1, а), растяжения (см. рис. 1, б) и кручения (см. рис. 1, в). Пружины сжатия навивают с просветом между витками (см. рис. 1, а). Для улучшения работы крайние витки пружины поджимают к соседним виткам и сошлифовывают. Пружины растяжения навивают без просвета между витками с предварительным натяжением, равным ¼. ⅓ от предельной нагрузки. Для соединения с соответствующими деталями машин на концах этих пружин предусматривают прицепы в виде изогнутых витков (см. рис. 1, б) или отдельных деталей требуемой формы, соединяемых с концами пружин. Пружины кручения навивают с просветом между витками, на концах они имеют прицепы (см. рис. 1, в) для соединения с соответствующими деталями машин. Форма прицепов определяется назначением пружины. Разновидности по классам и разрядам винтовых цилиндрических пружин сжатия и растяжения из стали круглого сечения, а также основные параметры и методика определения размеров этих пружин нормализованы ГОСТ 13764-68. 13776-68.

Источник: metiz-bearing.ru

Винтовые пружины

Наиболее широко из упругих элементов в приборо- и машиностроении используются винтовые пружины. Она просты и компактны по конструкции, надежны в работе. Их изготавливают путем холодной и горячей навивки проволоки с круглым, квадратным или прямоугольным поперечным сечением на специальные оправки.

По форме оправки винтовые пружины делятся на цилиндрические, конические и параболоидные, по виду нагружения — на пружины растяжения (рис. 3, а), сжатия (рис. 3, б, в) и кручения (рис. 3, г).

Основными размерами винтовых пружин являются: диаметр проволоки d; наружный диаметр D; средний диаметр витка пружины Dср; шаг витков t; число витков i; длина пружины в свободном (ненагруженном) состоянии Н (для пружин сжатия и растяжения); индекс пружины c = Dср / d.

С увеличением индекса с жесткость пружины снижается. Рекомендуется принимать индекс с = 16 … 8 при d 2 мм.

Читайте также:  Японские машины для дрифта, дрифтинг авто

Расчет пружины заключается в определении диаметра проволоки d, диаметра пружины D и числа витков i по заданной внешней нагрузке F и рабочему ходу f пружины.

Пружины растяжения навиваются с соприкасающимися витками (t = d). Изготавливают такие пружины двух видов: витки, соприкасаясь, не давят друг на друга, и витки, соприкасаясь, создают межвитковое давление. В последнем случае при навивке пружины проволоку скручивают вокруг ее оси. Пружина приобретает некоторое предварительное натяжение и начинает растягиваться только после приложения к ней нагрузки, большей предварительного натяжения.

Крайние витки пружин растяжения отогнуты и служат зацепами (рис. 4). Зацепы, часто являющиеся наиболее слабым местом пружины, имеют в зависимости от способа крепления различные формы. При растяжении зазоры между витками увеличиваются.

Пружины сжатия (см. рис. 3, б, в) изготавливают с зазором между витками. Крайние витки пружины всегда поджимают к соседним виткам и прошлифовывают по плоскости, перпендикулярной продольной оси. Это обеспечивает легкую установку пружины на опорной плоскости и центральное, т.е. строго по оси пружины, направление сжимающей нагрузки. Чтобы предотвратить возможную потерю устойчивости (выпучивание) пружины при соотношениях размеров Н / D >3, ее рекомендуют устанавливать в направляющем стакане или на стержне. Цилиндрические винтовые пружины сжатия получили наибольшее распространение, так как их форма сочетается с формой валиков, стаканов и других тел вращения. Винтовые конические пружины (см. рис. 3, в) обладают более высокой устойчивостью, в сжатом состоянии имеют минимальную высоту, но ввиду сложности изготовления применяются редко. Коническая пружина может сжиматься до размера, равного толщине проволоки, так как при сжатии виток входит в виток с небольшим зазором.

Пружины сжатия мало чувствительны к перегрузкам. Витки пружины при перегрузке полностью сжимаются, и пружина принимает вид жесткого цилиндра. Конические пружины сжатия применяют, если необходима нелинейная упругая характеристика.

Если при проектировании механизмов задача может быть решена путем применения пружины растяжения или пружины сжатия, то предпочтение отдают последней. При этом получают следующие преимущества: более простую конструкцию, чем у пружины растяжения; не требуются ограничители больших деформаций; поломка одного витка не ведет к мгновенному отказу механизма.

Винтовые пружины растяжения — сжатия имеют обычно линейную характеристику. При расчетных нагрузках материалы таких пружин работают в пределах упругих деформаций. Для устойчивости против вибрации и толчков винтовым пружинам в процессе сборки сообщается начальное нагружение F, т.е. пружину устанавливают в несколько растянутом или сжатом на величину f состоянии.

Расчет цилиндрических винтовых пружин растяжения-сжатия выполняют по условиям прочности витков на кручение. Сортамент, механические свойства стальных углеродистых проволок, используемых для изготовления пружин, приведены в справочниках. Величину допускаемого напряжения материала при сдвиге (кручении) принимают ориентировочно при статической и пульсирующей нагрузке соответственно

где ut — предел прочности проволоки при растяжении.

Условие прочности в поперечных сечениях витков пружины

где T = (Fmax Dср) / 2 — крутящий момент; Fmax — максимальная нагрузка на пружину; Wp = d 3 / 16-полярный момент сопротивления поперечного сечения витка; — коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений на поверхности витка и зависящий от величины индекса пружины с (с = Dср / d); d, Dср — соответственно диаметр проволоки и средний диаметр пружины.

Из уравнения (10.6) диаметр проволоки пружины равен

Исходными данными при расчете пружины являются начальная F и максимальная Fmax нагрузки, рабочая деформация fp и характеристики проволоки: модуль упругости G и допускаемое напряжение adm при сдвиге.

Расчет осуществляется в следующем порядке:

1. Выбирают индекс пружины в пределах с = 4 … 16.

2. По формуле (10.7) определяют диаметр проволоки. Значение d принимают ближайшее большее по сортаменту. Средний и наружный диаметры пружины равны Dср = cd; D = Dср + d. Если внешний диаметр витков пружины ограничен, то диаметр проволоки определяют по формуле (8).

3. Вычисляют коэффициент жесткости пружины

4. Определяют предварительную деформацию пружины

5. Число витков пружины рассчитывают по формуле

6. Определяют в недеформированном состоянии длину пружины:

растяжения H = id + h3, (13)

сжатия H = i(d + e) + hk + fmax , (14)

где h3 — длина зацепов для крепления пружины растяжения; е = 0,5 мм — гарантированный зазор между витками пружины сжатия при максимальной деформации; hk = (2 … 3) d — суммарная толщина нерабочих торцовых витков пружины; fmax = fo + fp.

7. Угол подъема витков пружины равен:

пружины сжатия , (15)

пружины растяжения . (16)

Этот угол не должен превышать 11 … 12°.

8. Определяют длину проволоки развернутой пружины:

где Li — длина заготовки зацепа пружины.

Винтовые пружины кручения (рис. 1, в, г) по внешнему виду отличаются от пружин растяжения-сжатия лишь конструкцией концевых витков. Один конец пружины (рис. 5) соединяется с неподвижной деталью, а другой — с подвижной и нагружается при этом усилием F на плече а. Концевые витки пружин отгибаются так, чтобы к ним можно было приложить моменты, действующие в плоскости витка. При закручивании пружины ее диаметр уменьшается, поэтому пружину устанавливают на цилиндрическую оправку диаметром d с зазором, обеспечивающим свободный поворот витков. Пружины применяются для создания (рис. 1, г) противодействующего момента Т при закручивании свободного конца пружины на угол . Их используют в виде силовых элементов, например, для поджатия магнитных и оптических головок записи и считывания информации.

Читайте также:  Амортизаторы на митсубиси паджеро 4

Под действием момента Т (см. рис. 5, Т = F•a) в сечении проволоки возникает напряжение изгиба

где Wz — момент сопротивления сечения относительно нейтральной оси, для круга диаметром d Wz = d 3 / 32 0,1d 3 .

Коэффициент k2 зависит от кривизны витка и определяется по следующей рекомендации: при с = 4 k2 = 1,26; при с = 6 k2 = 1,16; при с = 8 k2 = 1,12 и при с = 10 k2 = 1,1.

Диаметр проволоки d равен

Для пружинных сталей, используемых при изготовлении пружин, допускаемое напряжение adm принимают 500 … 800МПа.

Диаметр витка пружины D = (c + 1)d.

Угол закручивания пружины из круглой проволоки

где ? = Dсрi -развернутая длина проволоки витков пружины; EIz — жесткость проволоки на изгиб, Iz = d 4 / 64.

Из формулы (21) задавая угол закручивания, определяют длину и число витков пружины i. При определении длины развернутой проволоки пружины L необходимо учитывать и длину концов. Шаг t пружины (рис. 5) на 0,3 … 0,5 мм больше диаметра витков, а высота H будет равна H = i t.

Источник: studbooks.net

Выбор между торсионными и пружинами растяжения

Что за пружины в секционных воротах и зачем они нужны?

Пружины – это важная составляющая конструкции секционных ворот, служащая для балансировки полотна и более удобного его открывания. Потому в случае, если при составлении расчётов ворота позволяют выбрать из двух вариантов, нужно понимать, как сделать выбор и почему именно он будет правильным. Для этого необходимо знать особенности каждого вида пружин, их преимущества и недостатки.

Пружины бывают двух видов – растяжения и торсионные. Что выбрать для ваших ворот, решать вам, а мы поможем разобраться в выборе.

Система балансировки, в которой задействованы исследуемые нами детали, нужна воротам потому, что весят они прилично – около 90 кг; а промышленные и того больше – их вес может достигать 300 кг. Такую тяжесть поднимать вручную невозможно, да и зачем? На помощь человеку всегда приходит наука. Для того, чтобы легко поднимать и опускать полотно, ему нужен противовес. В секционных воротах эту задачу выполняют пружины. Они сжимаются и растягиваются, приводя в движение роллеты.

Попробуем выяснить, какой вид больше подходит вам.

Пружины растяжения: характеристики и особенности

Пружины растяжения работают за счёт растягивания и сокращения. Они устанавливаются парами по обеим сторонам полотна вертикально. Когда ворота опускаются вниз, механизм балансировки приводится в состояние накопления энергии – пружины растягиваются и готовы в любой момент сократиться, поднимая полотно вверх. Работают пружины независимо друг от друга, соединяясь с конструкцией ворот каждая своим тросиком. В случае если одна из пружин приходит в негодность, ворота продолжают функционировать, но нуждаются в ремонте, так как нагрузка перераспределяется на оставшиеся в рабочем состоянии детали.

Недостаток пружин растяжения в том, что при закрытии ворот нужно приложить определённое усилие, чтобы растянуть их. Чем массивнее ворота, тем большая жёсткость будет у пружин, либо увеличится их число. В любом случае, объём усилий, прилагаемых для закрывания ворот, растёт с их массой. Так что, выходит, пружины растяжения подойдут для обычных гаражных ворот, но не подойдут для промышленных. Кроме того, они не слишком любят частое использование, потому специалисты рекомендуют применять их для ворот с частотой не более 5 циклов открытия/закрытия в день.

Пружинам растяжения в процессе эксплуатации нужна регулировка натяжения, так как со временем они растягиваются и теряют упругость. Делать это нужно не часто – около одного раза в 2 года. Это помогает компенсировать растяжение, возникающее со временем. Регулировку стоит проводить аккуратно, очень важно не переусердствовать, так как чрезмерное усилие может привести к поломке, в результате которой полотно рискует упасть на автомобиль или человека.

Этот вид пружин подойдёт для гаражных проёмов высотой от 2 метров. На более низкие проёмы устанавливаются только торсионы, так как конструкция с пружинами растяжения захватывает часть расстояния от притолоки вниз – это место занимают направляющие.

Читайте также:  Расположение цилиндров v6 ауди

Преимущество пружин растяжения состоит в том, что при установке ворот с ними потребуется относительно небольшое место над проёмом для монтажа – всего 100 мм и 125 мм для ручного и электропривода соответственно

Что такое торсионные пружины и как они работают?

Торсионная пружина – это механизм, работающий за счёт скручивания. В отличие от предыдущего варианта, они устанавливаются непосредственно на валу. Когда вал приводится в движение приводом и крутится, пружина начинает раскручиваться и накапливает энергию. Если отпустить ручку ворот, они автоматически откроются, так как торсион будет стремиться вернуться в состояние покоя.

Торсионный привод достаточно мощный и надёжный, потому используется для оснащения тяжёлых ворот, но может быть установлен и на небольшое полотно.

Преимущество торсионных пружин в том, что они легко справляются с тяжеловесными воротами – с калиткой, промышленные и т. п.

Ресурс торсионов такой же, как и у пружин растяжения, но при этом они более выносливые по поднимаемому весу. Однако регулярное обслуживание требуется даже таким выносливым механизмам. Торсионные пружины нужно подтягивать, чтобы избежать заклинивания или падения створки. Тут стоит отметить ещё одно преимущество – даже в случае неисправности сработает механизм предотвращения падения. Храповая муфта заблокирует движение полотна, и ни машина, ни человек не получат травм.

Устанавливать ворота с торсионами можно на проёмы с высотой 210 мм и более (в домашнем гараже) и 400 мм и более (в промышленном). Если такой возможности нет, можно рассмотреть вариант установки ворот внутри помещения, на внутренней части притолоки, но это повысит стоимость конструкции и монтажа.

Как сделать правильный выбор между торсионными и пружинами растяжения?

Стоит оценить оба варианта по ключевым моментам:

  • Ресурс работы
  • Сложность монтажа и регулировки
  • Безопасность эксплуатации
  • Стоимость

Ресурс работы

Ресурс работы, как мы уже говорили, примерно одинаков. Завод заявляет официальные цифры – 25 000 циклов подъёма/опускания. Но при этом торсионы могут поднимать больший вес. Если установить ворота с разными вариантами балансировки полотна правильно, соблюдая все технические требования, они прослужат одинаково долго, и спустя 5 и более лет будут исправно работать. Конечно же, нужно помнить о том, что за механизмом нужно ухаживать, вовремя подтягивать пружины и не перегружать их больше, чем предполагается конструкцией.

Торсионные пружины выигрывают здесь по одной простой причине – они более универсальны, и могут устанавливаться как на бытовых, так и на промышленных воротах.

Сложность монтажа и регулировки

Установка торсионов проходит сложнее, так как требуется предварительно обеспечить их натяжение. Установить их на стену с заметной кривизной поверхности не получится – иначе они будут давать сбой, а полотно будет клинить. А вот если вы сделаете всё как надо, ворота будут работать без сбоев, тихо и плавно.

Пружины растяжения не требуют щепетильного подхода. Их легко установить, но шуму от них будет больше, даже при правильном закреплении.

Подтянуть торсионы можно всегда, и после этого они будут как новые. Пружины растяжения чаще всего нужно просто заменять на новые. К счастью, они и стоят дешевле.

Безопасность эксплуатации

Секционные ворота весят не так уж мало, чтобы полотно, падающее из-за сломавшейся пружины, показалось пустяком. Оно может упасть на вас или ваш автомобиль, и причинить вред. Потому в воротах обычно предусмотрен механизм безопасности.

В пружине растяжения есть ещё одна, поменьше. Она находится внутри и, в случае отказа внешней, выступает в роли подстраховки. Это называется «пружина в пружине». У торсионов такую страховочную роль играет храповый механизм.

Стоимость

Первыми в конструкции секционных ворот появились торсионы. Пружины растяжения стали использовать позже для удешевления и упрощения конструкции. Такие ворота будут легче, проще в установке и дешевле.

Итак, подведём итоги. Какой же сделать выбор – торсионные или пружины растяжения? Для домашних гаражных ворот оба варианта конструкции равны по безопасности, надёжности и техническому ресурсу. При этом пружины растяжения дешевле и легче в установке. Однако они позволяют поднимать полотно только строго вертикально, в то время как торсионы подойдут для установки и на гильотинных, и на наклонных воротах.

Для промышленных ворот подойдут только торсионы, так как пружины растяжения, из-за их низкой «грузоподъёмности» на такие конструкции не устанавливаются.

Источник: xn--90aihuwdd.xn--p1ai