Пружини та інші пружні елементи. Пружні елементи. пружини. Рис.5. Пружні елементи в зубчастих колесах

У цій статті мова піде про ресорах і пружинах як найбільш поширені види пружних елементів підвіски. Є ще пневмобалони і гідропневматичні підвіски, але про них пізніше окремо. Торсіони розглядати не буду як мало відповідний для технічної творчості матеріал.

Для початку загальні поняття.

Вертикальна жорсткість.

Жорсткість пружного елемента (пружини або ресори) означає будь потрібно прикласти чимало зусиль до пружини / ресори для того щоб продавити її на одиницю довжини (м, см, мм). Наприклад жорсткість 4кг / мм означає що на пружину / ресору потрібно натиснути із зусиллям 4кг щоб її висота зменшилася на 1мм. Жорсткість так само часто вимірюють в кг / см і в Н / м.

Для того щоб приблизно виміряти жорсткість пружини або ресори в гаражних умовах, можна наприклад на неї встати і розділити свою вагу на величину, на яку пружина / ресора продавилася під вагою. Ресору зручніше класти вушками на підлогу і вставати на середину. Важливо щоб хоча б одне вушко могло вільно ковзати по підлозі. На ресорі краще трохи пострибати перш ніж знімати висоту прогину щоб мінізіровать вплив тертя між листами.

Плавність ходу.

Плавність ходу це те наскільки автомобіль труський. Головним фактором, що впливає на «тряскость» автомобіля є частота власних коливань підресорених мас автомобіля на підвісці. Частота ця залежить від співвідношення цих самих мас і вертикальної жорсткості підвіски. Тобто Якщо маса більше то і жорсткість може бути більше. Якщо менше маса, вертикальна жорсткість повинна бути менше. Проблема для автомобілів меншої маси в тому, що при сприятливій для них жорсткості висота посадки автомобіля на підвісці сильно залежить від кількості вантажу. А вантаж - це у нас змінна складова підресореною маси. До речі чим більше вантажу в автомобілі, тим він комфортніше (мене труський) до тих пір поки підвіска не спрацювала повністю на стиск. Для людського тіла найбільш сприятлива частота власних коливань - це така, яку ми відчуваємо при натуральній для нас ходьбі тобто 0.8-1.2 Гц або (грубо) 50-70 коливань в хвилину. Реально в автомобілебудуванні в гонитві за грузонезавісімостью вважається допустимим до 2 Гц (120 коливань в хвилину). Умовно автомобілі у яких баланс маса-жорсткість зрушать в бік більшої жорсткості і більш високих частот коливань, називають жорсткими а автомобілі з оптимальною характеристикою жорсткості для їх маси - м'якими.

Кількість коливань в хвилину для вашої підвіски можна порахувати за формулою:

де:

n - кількість коливань в хвилину (бажано домогтися щоб було 50-70)

С - жорсткість пружного елемента підвіски в кг / см (Увага! У цій формулі кг / см а не кг / мм)

F - маса підресорених частин, що діють на даний пружний елемент, в кг.

Характеристика вертикальної жорсткості підвіски

Характеристика жорсткості підвіски це залежність прогину пружного елемента (зміни його висоти щодо вільної) f від власне навантаження на нього F. Приклад характеристики:

Пряма ділянка це діапазон коли працює тільки основний пружний елемент (пружина або ресора) Характеристика звичайної ресори або пружини лінійна. Точка f ст (що відповідає F ст) - це положення підвіски коли автомобіль стоїть на рівному майданчику в спорядженому стані з водієм, пасажиром і запасом палива. Відповідно все що до цієї точки - хід відбою. Все що після - хід стиснення. Звернемо увагу на те, що пряма характеристики пружини йде далеко за межі характеристики підвіски в мінус. Так, пружини не дають повністю розтиснутися обмежувач ходу відбою і амортизатор. До речі про обмежувач ходу відбою. Саме він і і забезпечує нелінійне зниження жорсткості на початковій ділянці працюючи враспор пружині. У свою чергу обмежувач ходу стиснення вступає в роботу в кінці ходу стиснення і, працюючи паралельно пружині, забезпечує збільшення жорсткості і кращу енергоємність підвіски (зусилля, яке здатна поглинути підвіска своїми пружними елементами)

Циліндричні (спіральні) пружини.

Перевага пружини проти ресори в тому що по-перше в ній повністю відсутня тертя, а по-друге вона несе тільки чисто функцію пружного елемента в той час як ресора так само виконує функцію направляючого пристрою (важелів) підвіски. У зв'язку з цим пружина навантажується тільки одним способом і служить довго. Єдині недоліки пружинної підвіски в порівнянні з ресорної - складність і висока ціна.

Циліндричних пружина фактично являє собою скручений в спіраль торсіон. Чим довше пруток (а його довжина збільшується зі збільшенням діаметра пружини і кількості витків), тим м'якше пружина при незмінній товщині витка. Видаляючи витки з пружини, ми робимо пружину жорсткіше. Встановивши 2 пружини послідовно, ми отримуємо більш м'яку пружину. Сумарна жорсткість послідовно з'єднаних пружин: С \u003d (1 / С 1 + 1 / С 2). Сумарна жорсткість працюють паралельно пружин С \u003d С 1 + С 2.

Звичайна пружина як правило має діаметр, набагато більший ніж ширина ресори і це обмежує можливість використання пружини замість ресори на початку ресорному автомобілі тому не поміщається між колесом і рамою. Встановити пружину під раму теж не просто тому У неї є мінімальна висота, рівна її висоті з усіма зімкнутими витками плюс при установці пружііни під рамою ми втрачаємо можливість виставити підвіску по висоті тому Чи не можемо рухати вгору / вниз верхню чашку пружини. Встановивши пружини всередині рами ми втрачаємо кутову жорсткість підвіски (що відповідає за крен кузова на підвісці). На Паджеро так і зробили але доповнили підвіску стабілізатором поперечної стійкості для збільшення кутовий жорсткості. Стабілізатор - це шкідлива вимушений захід, грамотно не мати його взагалі на задній осі, а на передній намагатися або його теж не мати, або мати але щоб він був якомога м'якше.

Можна виготовити пружину маленького діаметру для того щоб вона помістилася між колесом і рамою, але при цьому для того щоб вона не викручувалася, необхідно укласти її в амортизаторную стійку, яка забезпечить (на відміну від вільного положення пружини) строго паралельне відносне положення верхньої і нижньої чашок пружини. Однак при такому рішенні пружина сама стає набагато довше плюс додаткова габаритна довжина необхідна для верхнього і нижнього шарніра амортизаторной стійки. В результаті рама автомобіля навантажується не найсприятливішим чином в зв'язку з тим що верхня точка опори виявляється набагато вище лонжерона рами.

Амортизаторні стійки з пружинами бувають так само 2-ступінчастою з двома послідовно встановленими пружинами різної твердості. Між ними повзун, який є нижньою чашкою верхньої пружини і верхньої чашкою нижньої пружини. Він вільно переміщається (ковзає) по корпусу амортизатора. При звичайній їзді працюють обидві пружини і забезпечують низьку жорсткість. При сильному пробої ходу стискання підвіски одна з пружин змикається і далі працює тільки друга пружина. Жорсткість в однієї пружини більше ніж у двох працюючих послідовно.

Існують так само бочкоподібні пружини. Їх витки мають різний діаметр і це дозволяє збільшити хід стиснення пружини. Змикання витків відбувається при набагато меншій висоті пружини. Цього може виявитися досить для установки пружини під рамою.

Циліндричні спіральні пружини бувають зі змінним кроком витка. У міру стиснення, коротші витки змикаються раніше і перестають працювати а чим менше витків працює тим більше жорсткість. Таким чином досягається збільшення жорсткості при ходах стиснення підвіски, близьких до максимальних, при чому збільшення жорсткості виходить плавним тому виток змикається поступово.

Однак спеціальні види пружин малодоступні а пружина - це по суті справи расходник. Мати нестандартний, сложнодоступний і дорогий расходник не зовсім зручно.

n - кількість витків

С - жорсткість пружини

H 0 - висота у вільному стані

H ст - висота при статичному навантаженні

H сж - висота при повному стисненні

f c т - статичний прогин

f сж - хід стиснення

листові ресори

Основна перевага ресор в тому що вони одночасно виконують і функцію пружного елемента і функцію направляючого пристрою а звідси випливає низька ціна конструкції. У цьому правда є і недолік - кілька видів навантаження відразу: що штовхає зусилля, вертикальна реакція і реактивний момент моста. Ресори менш надійні і менш довговічні ніж пружинна підвіска. Тема про ресорах як про направляющем пристрої буде розглядатися окремо в разделеле «напрямні пристрої підвіски».

Основна проблема ресор в тому, що їх дуже складно зробити досить м'якими. Чим вони м'якше, тим довше їх потрібно робити а при цьому вони починають вилазити за звіси і стають схильними до S- образним вигину. S- образний вигин це коли під дією реактивного моменту моста (зворотного крутним моментом на мосту) ресори намотуються власне навколо моста.

Так само ресори мають тертя між листами, при чому не передбачуване. Його величина залежить від стану поверхні листів. При чому всі нерівності мікропрофілю дороги, по величині обурення не перевищують величину тертя між листами, передаються тілу людини як ніби підвіски немає взагалі.

Ресори бувають багатолистові і малолистові. Малолистові краще тим що раз в них менше листів, то і тертя між ними менше. Недолік - складність виготовлення і відповідно ціна. Лист малолистових ресори має змінну товщину і з цим пов'язані додаткові технологічні складнощі виробництва.

Так само ресора може бути 1-листова. У ній тертя відсутнє в принципі. Однак ці ресори більш схильні до S- образним вигину і як правило застосовуються в підвісках, в яких реактивний момент на них не діє. Наприклад в підвісках не ведуть осей або там де редуктор ведучого моста з'єднаний з шасі а не з балкою моста, як приклад - задня підвіска «Де-діон» на задньопривідних автомобілях Вольво 300-ої серії.

З втомним зносом листів боряться виготовленням листів трапецієподібного перерізу. Нижня поверхня вже верх. Таким чином більша частина товщини листа працює на стиск а не на розтягнення, лист служить довше.

З тертям боряться установкою пластикових вставок між листами на кінцях листів. При цьому по-перше листи не стосуються один одного по всій довжині, а по-друге ковзають тільки в парі метал-пластик, де менше коефіцієнт тертя.

Іншим способом боротьби з тертям є густе мастило ресор з висновком їх у захисні рукави. Такий метод застосовувався на ГАЗ-21 2-ий серії.

З S-подібним вигином боряться роблячи ресору не симетричні. Передній кінець ресори коротше заднього і більш стійкий проти вигину. Тим часом сумарна жорсткість ресори не змінюється. Так само для виключення можливості S- образного вигину встановлюють спеціальні реактивні тяги.

На відміну від пружини, ресори не має мінімального розміру по висоті, що істотно спрощує завдання для самодіяльного будівельника підвіски. Однак, зловживати цим потрібно вкрай обережно тому Якщо пружина розраховується за максимального напруження на повне стиснення до змикання її ж витків, то ресора на повне стиснення, можливе в підвісці автомобіля для якого конструировалась.

Так само не можна маніпулювати кількістю аркушів. Справа в тому, що ресора конструюється як єдине ціле виходячи з умови рівного опору вигину. Будь-яке порушення веде до виникнення нерівномірності напружень по довжині аркуша (навіть якщо листи додавати а не видаляти) що неминуче призводить до передчасного зносу і виходу з ладу ресори.

Все найкраще що придумало людство по темі багатолистових ресор є в ресорах від Волги: вони мають трапециевидное перетин, вони довгі і широкі, несиметричні і з пластиковими вставками. Так само вони м'якше уазовской (в середньому) в 2 рази. 5-листові ресори від седана мають жорсткість 2.5кг / мм а 6-листові ресори від універсалу 2.9кг / мм. Самі м'які уазовской ресори (задні Хантер-Патріот) мають жорсткість 4кг / мм. Для забезпечення сприятливої \u200b\u200bхарактеристики УАЗу потрібно 2-3 кг / мм.

Характеристику ресори можна зробити ступінчастою за рахунок застосування підресорник або надрессорніка. Велику частину часу додатковий елемент не діє і не впливає на характеристику підвіски. Він включається в роботу при великому ході стиснення або при наїзді на перешкоду, або при завантаженні машини. Тоді сумарна жорсткість складається з жорсткостей обох пружних елементів. Як правило якщо це надрессорнік, то він закріплений серединою на основний ресорі і при ході стиснення кінцями впирається в спеціальні опори, розташовані на рамі автомобіля. Якщо це підресорник, то при ході стиснення його кінці впираються в кінці основної ресори. Неприпустимо щоб підресорник упирався в робочу частину основної ресори. У цьому випадку порушується умова рівного опору вигину основний ресори і виникає нерівномірність розподілу навантаження по довжині аркуша. Однак, існують конструкції (як правило на легкових позашляховиках) коли нижній лист ресори зігнутий в зворотний бік і в міру ходу стиснення (коли основна ресора приймає форму близьку до його формі) прилягає до неї і таким чином плавно включається в роботу забезпечуючи плавно прогресивну характеристику. Як правило такі підресорник розраховані саме на максимальні пробої підвіски а не для коригування жорсткості від ступеня завантаження машини.

Гумові пружні елементи.

Як правило гумові пружні елементи використовуються в якості додаткових. Однак, є конструкції, в яких гума служить основним пружним елементом, наприклад Ровер Міні старого зразка.

Нам вони проте цікаві тільки в якості додаткових, в народі відомих як «відбійники». Часто на форумах автомобілістів зустрічаються слова «підвіску пробиває до відбійників» з подальшим розвитком теми про необхідність збільшення жорсткості підвіски. Насправді ж для того там ці гумки і встановлюються щоб до них пробивало, і при їх стисненні жорсткість збільшувалася таким чином забезпечуючи необхідну енергоємність підвіски без збільшення жорсткості основного пружного елемента, який підбирається з умови забезпечення необхідної плавності ходу.

На старіших моделях відбійники були суцільні і як правило мали форму конуса. Форма конуса дозволяє забезпечити плавну прогресивну характеристику. Тонкі частини стискаються швидше і чим товще решта, тим жорсткіше гумка

В даний час найбільшого поширення набули ступінчасті відбійники, які мають чередующіся тонкі і товсті частини. Відповідно на початку ходу стискаються всі частини одночасно, далі тонкі частини змикаються і продовжують стискатися вже тільки товсті частини жорсткість яких больше.Как правило ці відбійники порожні всередині (на вигляд ширше звичайних) і дозволяють отримати більший ніж звичайні відбійники хід. Подібні елементи встановлюються наприклад на автомобілях УАЗ нових моделей (Хантер, Патріот) і Газель.

Відбійники або обмежувачі ходу або додаткові пружні елементи встановлюються як на стиск, так і на відбій. Працюючі на відбій часто встановлюються всередині амортизаторів.

Тепер про найбільш часто зустрічаються помилках.

«Пружина просіла і стала м'якше»: Ні, жорсткість пружини не змінюється. Змінюється тільки її висота. витки стають ближчими один до одного і машина опускається нижче.

«Ресори випростались, значить просіли»: Ні, якщо ресори прямі, це не означає що вони просіли. Наприклад на заводському складальному кресленні шасі УАЗ 3160, ресори абсолютно прямі. У Хантера вони мають ледь помітний для неозброєного ока вигин 8мм, що теж звичайно ж сприймається як «прямі ресори». Для того щоб визначити просіли ресори чи ні, можна заміряти який-небудь характерний розмір. Наприклад між нижньою поверхнею рами над мостом і поверхнею панчохи моста під рамою. Повинно бути близько 140мм. І ще. Прямими ці ресори задумані не випадково. При розташуванні моста під ресорою, тільки таким чином вони можуть забезпечити сприятливу характеристику уплавляемості: при крен не підрулювати міст в сторону надмірної обертальності. Про обертальність можна почитати в розділі «Керованість автомобіля». Якщо ж якимось чином (додавши листи, прокувати ресори, додавши пружини ітд) домогтися того щоб вони стали вигнутими, то автомобіль буде схильний до рискання на великій швидкості і інших неприємних властивостями.

«Я відпив від пружини пару витків, вона просяде і стане м'якше»: Так, пружина дійсно стане коротшим і можливо при установці на машину, машина просяде нижче ніж з повною пружиною. Однак, при цьому пружина стане не м'якше а навпаки жесче пропорційно довжині відпиляного прутка.

«Я поставлю додатково до ресорам пружини (комбіновану підвіску), ресори розслабляться і підвіска стане м'якше. При звичайній їзді ресори працювати не будуть, будуть працювати тільки пружини, а ресори тільки при максимальних пробоях »: Ні, жорсткість в цьому випадку збільшиться і буде дорівнює сумі жорсткості ресори і пружини, що негативно скжется не тільки на рівні комфорту але і на прохідності (про вплив жорсткості підвіски на комфорт пізніше). Для того щоб таким методом домогтися змінної характеристики підвіски, необхідно зігнути пружиною ресору до вільного стану ресори і через це стан перегнути (тоді ресора змінить напрямок зусилля і пружина і ресора почнуть працювати враспор). А наприклад для малолистових ресори УАЗа з жорсткістю 4кг / мм і підресореною масі 400кг на колесо, це означає ліфт підвіски більш ніж на 10см !!! Навіть якщо здійснити цей жахливий ліфт пружиною, то крім втрати стійкості автомобіля, кінематика зігнутої ресори зробить автомобіль абсолютно некерованим (див п. 2)

«А я (наприклад додатково до п. 4) зменшу кількість листів в ресорі»: Зменшення кількості аркушів в ресорі дійсно однозначно означає зниження жорсткості ресори. Однак, по-перше це не обов'язково означає зміну її вигину у вільному стані, по-друге вона стає більш схильна до S- образним вигину (намотування навколо моста вод дією реактивного моменту на мосту) і по-третє ресора конструюється як «балка рівного опору вигину »(хто вивчав« спрямують », той знає що це таке). Наприклад у 5-листових ресор від Волги-седана і більш жорстких 6-листових ресор від Волги-універсала однаковий тільки корінний лист. Здавалося б у виробництві дешевше все частини уніфікувати і зробити тільки один додатковий лист. Але так не можна тому що при порушенні умови рівного опору вигину навантаження на листи ресори стає нерівномірною по довжині і лист швидко виходить з ладу на більш навантаженому ділянці. (Скорочується термін служби). Змінювати кількість листів в пакеті дуже не рекомендую і тим більше збирати ресори з листів від різних марок автомбілей.

«Мені потрібно збільшити жорсткість щоб не пробивало підвіску до відбійників» або «у позашляховика повинна бути жорстка підвіска». Ну по-перше «відбійниками» вони називаються тільки в народі. Насправді це додаткові пружні елементи, тобто вони там спеціально стоять для того щоб до них пробивало і щоб в кінці ходу стиснення збільшувалася жорсткість підвіски і забезпечувалася необхідна енергоємність при меншій жорсткості основного пружного елемента (пружини / ресори). При збільшенні жорсткості основних пружних елементів так само погіршується прохідність. Здавалося б який зв'язок? Межа тяги по зчепленню, який можна розвинути на колесі, (крім коефіцієнта тертя) залежить від того, з якою силою це колесо притиснуто до поверхні по якій їде. Якщо автомобіль їде по рівній поверхні, то ця сила притиснення залежить тільки від маси автомобіля. Однак якщо поверхня не рівна, ця сила починає залежати від характеристики жорсткості підвіски. Наприклад представимо 2 автомобілі рівній підресореною маси по 400кг на колесо, але з різною жорсткістю пружин підвіски 4 і 2 кг / мм відповідно, що пересуваються по одній і тій же нерівній поверхні. Відповідно при проїзді нерівності висотою 20см одне колесо спрацювало на стиск на 10см, інше на відбій на ті ж 10см. При разжимании пружини жорсткістю 4кг / мм на 100мм, зусилля пружини зменшилася на 4 * 100 \u003d 400кг. А у нас все 400кг. Значить тяги на цьому колесі вже немає, а якщо у нас на осі відкритий диференціал або диференціал обмеженого тертя (ДОТ) (наприклад гвинтовий «Квайф»). У разі ж якщо жорсткість 2 кг / мм, то зусилля пружини зменшилася лише на 2 * 100 \u003d 200кг, а значить 400-200-200 кг все ще тисне і ми можемо забезпечити принаймні половинну тягу на осі. При чому в разі якщо стоїть ДОТ, а у більшості їх коефіцієнт блокування 3, при наявності якоїсь тяги на одному колесі з гіршого тягою, на друге колесо передається в 3 рази більший момент. І прімерчік: Найм'якша підвіска УАЗа на малолистових ресорах (Хантер, Патріот) має жорсткість 4кг / мм (і пружина і ресора), в той час як у старого Ренджровера приблизно такої ж маси як Патріот, на передній осі 2.3 кг / мм, а на задній 2.7кг / мм.

«У легкових автомобілів з м'якою незалежною підвіскою пружини повинні бути м'якше»: Зовсім не обов'язково. Наприклад в підвісці типу "Макферсон", пружини дійсно працюють безпосередньо, але в підвісках на подвійних поперечних важелях (передня ВАЗ-класика, Нива, Волга) через передавальне число дорівнює співвідношенню відстані від осі важеля до пружини і від осі важеля до кульової опори. При такій схемі жорсткість підвіски не дорівнює жорсткості пружини. Жорсткість пружини значно більше.

«Краще ставити жорсткі пружини щоб автомобіль був мене хитким і отже більш стійким»: Не зовсім так. Так, дійсно чим більше вертикальна жорсткість, тим більше кутова жорсткість (що відповідає за крен кузова при дії відцентрових сил в поворотах). Але перенесення мас внаслідок крену кузова значно меншим чином впливає на стійкість автомобіля ніж скажімо висота центру ваги, яким джипери часто дуже марнотратно кидаються ліфтуя кузов тільки заради того щоб не пиляти арки. Автомобіль повинен кренитися, крен це не зачит погано. Це важливо для інформативності при водінні. При конструюванні в більшість автомобілів закладається стандартна величина крену 5 градусів при окружному прискоренні 0.4g (залежить від співвідношення радіусу повороту і швидкості руху). Окремі автовиробники закладають крен на менший кут для створення ілюзії стійкості для водія.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n 1. Загальна характеристика пружин Пружини широко застосовуються в конструкціях як виброизолирующих, амортизувальних, зворотно-які представляють, натяжних, динамометричних і інших пристроїв. Типи пружин. По виду сприймається зовнішнього навантаження розрізняють пружини розтягування, стиснення, кручення і вигину.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ nn кручені пружини (циліндричні - розтягування, рис. 1 а, стиснення, рис. 1 б; крутіння, рис. 1 в, фасонні-стиснення, рис. 1 г-е), спеціальні пружини (тарілчасті і кільцеві, рис. 2 а і б, - стиснення; ревні і ресори, рис. 2 в, - вигину; спіральні, рис. 2 г-крутіння і ін.) Найбільш поширені кручені циліндричні пружини з дроту круглого перетину.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Пружини розтягання (див. Рис. 1 а) навивають, як правило, без просвітів між витками, а в більшості випадків - з початковим натягом (тиском) між витками, що компенсує частково зовнішнє навантаження. Натяг зазвичай становить (0, 25 - 0, 3) Fпр (Fnp - гранична сила, що розтягує, при якій повністю вичерпуються пружні властивості матеріалу пружини).

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Для передачі зовнішнього навантаження такі пружини забезпечують зачепами. Наприклад, для пружин малого діаметра (3 4 мм) зачепи виконують у формі відігнутих останніх витків (рис. 3 а-в). Однак такі зачепи знижують опір пружин втоми через високу концентрації напружень в місцях згину. Для відповідальних пружин діаметром понад 4 мм часто застосовують заставні зачепи (рис. 3 г-е), хоча вони менш технологічні.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Пружини стиску (див. Рис. 1 б) навивають з просвітом між витками, який повинен на 10 20% перевищувати осьові пружні переміщення кожного витка при найбільшій зовнішньої навантаженні. Опорні площині у пружин отримують шляхом підтискання останніх витків до сусідніх і сошліфовиванія їх перпендикулярно осі. Довгі пружини під навантаженням можуть втрачати стійкість (витріщає). Для виключення витріщення такі пружини зазвичай ставлять на спеціальні оправки (рис. 4 а) або в стакани (рис. 4 б).

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Співвісність пружин з сполучаються деталями досягається установкою опорних витків в спеціальні тарілки, розточення в корпусі, канавки (див. Рис. 4 в). Пружини крутіння (див. Рис. 1 в) навивають зазвичай з малим кутом підйому і невеликими проміжками між витками (0, 5 мм). Зовнішнє навантаження вони сприймають за допомогою зачепів, утворених відгином кінцевих витків.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Основні параметри кручених пружин. Пружини характеризуються такими основними параметрами (див. Рис. 1 б): діаметром d дроту або розмірами перетину; середнім діаметром Do, індексом c \u003d Do / d; числом n робочих витків; довжиною Але робочої частини; кроком t \u003d Ho / n витків, кутом \u003d arctg підйому витків. Останні три параметри розглядають в ненавантаженому і навантаженому станах.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Індекс пружини характеризує кривизну витка. Пружини з індексом з 3 застосовувати не рекомендується через високу концентрацію напружень в витках. Зазвичай індекс пружини вибирають в залежності від діаметра дроту наступним чином: для d 2, 5 мм, d \u003d 3-5; 6 12 мм відповідно c \u003d 5 12; 4 10; 4 9.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Матеріали. Кручені пружини виготовляють навивкой холодним або гарячим способом з наступною обробкою торців, термічною обробкою і контролем. Основними матеріалами для пружин є - високоміцна спеціальна пружинний дріт 1, II і III класів діаметром 0, 2 5 мм, а також стали: високовуглецеві 65, 70; марганцовистого 65 Г; кремниста 60 С 2 А, хромованадіевой 50 ХФА і ін.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Пружини, призначені для роботи в хімічно активному середовищі, виготовляють з кольорових сплавів. Для захисту поверхонь витків від окислення пружини відповідального призначення покривають лаком або промаслюється, а пружини особливо відповідального призначення оксидируют, а також наносять на них цинкове або кадмієві покриття

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n 2. Розрахунок і проектування кручених циліндричних пружин Напруження в перетинах і переміщення витків. Під дією осьової сили F (рис. 5 а) в поперечному перерізі витка пружини виникають результуюча внутрішня сила F, паралельна осі пружини, і момент T \u003d FD 0/2, площина якого збігається з площиною пари сил F. Нормальне поперечний переріз витка нахилене до площині моменту на кут.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Силові чинники в перетині навантаженої пружини проектуючи на осі x, y і z (рис. 5, б), пов'язані з нормальним перетином витка, силу F і момент T, отримаємо Fx \u003d F cos; Fn \u003d F sin (1) T \u003d Mz \u003d 0, 5 F D 0 cos; Mx \u003d 0, 5 F D 0 sin;

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Кут підйому витків малий (зазвичай 12). Тому можна вважати, що перетин пружини працює на кручення, нехтуючи іншими силовими чинниками. У перетині витка максимальне дотичне напруження (2) де Wk - момент опору крученню перерізу витка

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n З огляду на кривизну витків і співвідношення (2) запишемо у вигляді рівність (1), (3) n де F - зовнішнє навантаження (розтягуються або стискає); D 0-середній діаметр пружини; k - коефіцієнт, що враховує кривизну витків і форму перетину (поправка до формули для крутіння прямого бруса); k -Допускається каральне напруження при крученні.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Значення коефіцієнта k для пружин з круглого дроту при індексі c 4 можна обчислювати за формулою

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Якщо врахувати, що для дроту круглого поперечного перерізу Wk \u003d d 3/16, то (4) У пружини з кутом підйому 12 осьове переміщення n F, (5)

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n де n - коефіцієнт осьової піддатливості пружини. Податливість пружини найбільш просто визначається з енергетичних міркувань. Потенційна енергія пружини: де T - крутний момент в перерізі пружини від сили F, G Jk - жорсткість перерізу витка на кручення (Jk 0, 1 d 4); l D 0 n-повна довжина робочої частини витків;

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n і коефіцієнт осьової піддатливості пружини (7) n де - осьова податливість одного витка (осаду в міліметрах при дії сили F \u003d 1 H),

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n визначається за формулою (8) n де G \u003d E / 0, 384 E -модуль зсуву (E - модуль пружності матеріалу пружини).

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n З формули (7) випливає, що коефіцієнт піддатливості пружини зростає при збільшенні числа витків (довжини пружини), її індексу (зовнішнього діаметра) і зменшенні модуля зсуву матеріалу.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Розрахунок і проектування пружин. Розрахунок діаметра дроту ведуть з умови міцності (4). При заданому значенні індексу з (9) n де F 2 - найбільша зовнішнє навантаження.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Допустимі напруги [k] для пружин з сталей 60 С 2, 60 С 2 Н 2 А і 50 ХФА приймають: 750 МПа - при дії статичних або повільно змінюються змінних навантажень, а також для пружин невідповідального призначення; 400 МПа - для відповідальних динамічно навантажених пружин. Для динамічно навантажених відповідальних пружин з бронзи [k] призначають (0, 2 0, 3) в; для невідповідальних пружин з бронзи - (0, 4 0, 6) в.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Необхідна кількість робочих витків визначають зі співвідношення (5) по заданому пружного переміщення (ходу) пружини. Якщо пружина стиснення встановлена \u200b\u200bз попередньої затягуванням (навантаженням) F 1, то (10) Залежно від призначення пружини сила F 1 \u003d (0, 10, 5) F 2. Зміною значення F 1 можна регулювати робочу осадку пружини. Число витків округлюють до полувітка при n 20 і до одного витка при n\u003e 20.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Повне число витків n n H 0 \u003d H 3 + n (t - d), (12) де Н 3 \u003d (n 1 - 0, 5) d-довжина пружини, стиснутої до дотику сусідніх робочих витків; t - крок пружини. n n n 1 \u003d n + (l, 5 -2, 0). (11) Додаткові 1, 5 2 витка йдуть на поджатие для створення опорних поверхонь у пружини. На рис. 6 показана залежність між навантаженням і осіданням пружини стиснення. Повна довжина ненагруженной пружини n

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Повне число витків зменшено на 0, 5 через сошлифовки кожного кінця пружини на 0, 25 d для освіти плоского опорного торця. Максимальна осадка пружини, т. Е. Переміщення торця пружини до повного зіткнення витків (див. Рис. 6), визначається за формулою

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Крок пружини визначається в залежності від значення 3 з наступного наближеного співвідношення: Необхідна для виготовлення пружини довжина дроту де \u003d 6 - 9 ° - кут підйому витків ненагруженной пружини.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ nn Для запобігання витріщення пружини від втрати стійкості її гнучкість H 0 / D 0 повинна бути менше 2, 5. Якщо з конструктивних міркувань це обмеження не виконується, то пружини, як зазначено вище, слід ставити на оправках або монтувати в гільзах .

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ nnn Установча довжина пружини, т. Е. Довжина пружини після затяжки її силою F 1 (див. Рис. 6), визначається за формулою H 1 \u003d H 0 - 1 \u003d H 0 - n F 1 при дії найбільшої зовнішньої навантаження довжина пружини H 2 \u003d H 0 - 1 \u003d H 0 - n F 2 і найменша довжина пружини буде при силі F 3, що відповідає довжині H 3 \u003d H 0 - 3

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Кут нахилу прямої F \u003d f () до осі абсцис (див. Рис. 6) визначається з формули

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n При великих навантаженнях і обмежених габаритах використовують Складові пружини стиснення (див. Рис. 4, в) - набір з декількох (частіше двох) концентрично розташованих пружин, одночасно сприймають зовнішнє навантаження. Для запобігання сильного закручування торцевих опор і перекосів навивку співвісних пружин виконують в протилежних напрямках (лівому і правому). Опори виконують так, щоб забезпечувалася взаємна центрування пружин.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Для рівномірного розподілу навантаження між ними бажано, щоб складові пружини мали однакові опади (осьові переміщення), а довжини пружин, стислих до зіткнення витків, були б приблизно однакові. У ненавантаженому стані довжина пружин розтягування Н 0 \u003d n d + 2 hз; де hз \u003d (0, 5 1, 0) D 0-висота одного зацепа. При максимальній зовнішньої навантаженні довжина пружини розтягування Н 2 \u003d Н 0 + n (F 2 - F 1 *) де F 1 * - сила початкового стиснення витків при намотуванні.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Довжина дроту для виготовлення пружини визначається за формулою де lз - довжина дроту для одного причепа.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Поширені пружини, в яких замість дроту використовується трос, звитий з двох-шести дротів малого діаметра (d \u003d 0, 8 - 2, 0 мм), - багатожильні пружини. За конструктивним рішенням такі пружини еквівалентні концентричних пружинам. Завдяки високій демпфирующей здатності (за рахунок тертя між жилами) і податливості багатожильні пружини добре працюють в амортизаторах і подібних до них пристроях. При дії змінних навантажень багатожильні пружини досить швидко виходять з ладу від зносу жив.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n У конструкціях, що працюють в умовах вібрацій і ударних навантажень, іноді застосовують фасонні пружини (див. Рис. 1, г-е) з нелінійної залежністю між зовнішньою силою і пружним переміщенням пружини.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Запаси міцності. При дії статичних навантажень пружини можуть виходити з ладу внаслідок пластичних деформацій в витках. За пластичних деформацій запас міцності де max - найбільші дотичні напруження в витку пружини, які обчислюють за формулою (3), при F \u003d F 1.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Пружини, які тривалий час працюють при змінних навантаженнях, необхідно розраховувати на опір втоми. Для пружин характерно асиметричне навантаження, при якому сили змінюються від F 1 до F 2 (див. Рис. 6). При цьому в перетинах витків напруги

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n амплітуда і середня напруга циклу n За дотичним напруженням запас міцності n де K d - коефіцієнт масштабного ефекту (для пружин з дроту d 8 мм дорівнює 1); \u003d 0, 1 0, 2 - коефіцієнт асиметрії циклу.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Межа витривалості - 1 дроту при змінному кручении по симетричному циклу: 300- 350 МПа - для сталей 65, 70, 55 ГС, 65 Г; 400- 450 МПа-для сталей 55 С 2, 60 С 2 А; 500- 550 МПа - для сталей 60 С 2 ХФА і ін. При визначенні запасу міцності приймають ефективний коефіцієнт концентрації напружень K \u003d 1. Концентрацію напружень враховують коефіцієнтом k в формулах для напружень.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n У разі резонансних коливань пружин (наприклад, клапанних) може відбуватися зростання змінної складової циклу при незмінному m. У цьому випадку запас міцності по змінним напруженням

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Для підвищення опору втоми (на 20- 50%) пружини упрочняют дробеструйной обробкою, що створює в поверхневих шарах витків стискають залишкові напруги. Для обробки пружин використовують кульки діаметром 0, 5 1, 0 мм. Більш ефективною виявляється обробка пружин кульками малих діаметрів при високій швидкості польоту.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Розрахунок на ударну навантаження. У ряді конструкцій (амортизатори і ін.) Пружини працюють при ударних навантаженнях, яких докладають майже миттєво (з високою швидкістю) з відомою силою удару. Окремі витки пружини отримують при цьому значну швидкість і можуть небезпечно соударяющихся. Розрахунок реальних систем на ударну навантаження пов'язаний зі значними труднощами (облік контактних, пружних і пластичних деформацій, хвильових процесів і т. Д.); тому для інженерного застосування обмежимося енергетичним методом розрахунку.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Основним завданням розрахунку на ударну навантаження є визначення динамічної опади (осьового переміщення) і статичного навантаження, еквівалентній ударної дії на пружину з відомими розмірами. Розглянемо удар штока масою m по пружинному амортизатору (рис. 7). Якщо знехтувати деформацією поршня і прийняти, що після удару пружні деформації миттєво охоплюють всю пружину, можна записати рівняння балансу енергії у вигляді де Fд - сила тяжіння штока; K - кінетична енергія системи після зіткнення,

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n визначається за формулою (13) n де v 0 - швидкість руху поршня; - коефіцієнт приведення маси пружини до місця зіткнення

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n n Якщо прийняти, що швидкість переміщення витків пружини змінюється лінійно по її довжині, то \u003d 1/3. Другий доданок лівої частини рівняння (13) висловлює роботу поршня після зіткнення при динамічної осаді д пружини. Права частина рівняння (13) потенційна енергія деформації пружини (з піддатливістю m), яка може бути повернута при поступової розвантаження деформованої пружини.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ При миттєвому додатку навантаження v 0 \u003d 0; д \u003d 2 ст. Статичне навантаження, еквівалентна за ефектом ударної дії, може. обчислена з співвідношення n n

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Гумові пружні елементи застосовують в конструкціях пружних муфт, вібро і шумоизолирующих опорах та інших пристроях для отримання великих переміщень. Такі елементи зазвичай передають навантаження через металеві деталі (пластини, трубки і т. П.).

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n Переваги гумових пружних елементів: електроізолююче здатність; висока демпфуюча здатність (розсіювання енергії в гумі досягає 30- 80%); здатність акумулювати більшу кількість енергії на одиницю маси, ніж пружинна сталь (до 10 разів). У табл. 1 наведені розрахункові схеми і формули для наближеного визначення напружень і переміщень для гумових пружних елементів.

ПРУЖИНИ І ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ n n Матеріал елементів - технічна гума з межею міцності (в 8 МПа; модуль зсуву G \u003d 500 900 МПа. В останні роки набувають поширення пневмоеластічние пружні елементи.

ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ. ПРУЖИНИ

Колісні пари вагонів пов'язані з рамою візка і кузовом вагона через систему пружних елементів і гасителів коливань, звану ресорним підвішуванням. Ресорне підвішування за рахунок пружних елементів забезпечує пом'якшення поштовхів і ударів, що передаються колесами кузову, а також за рахунок роботи гасителів, гасіння коливань, що виникають при русі вагона. Крім того (в деяких випадках), ресори і пружини передають напрямні зусилля з боку коліс на раму візка вагона.
Коли колісна пара проходить якусь нерівність шляху (стики, хрестовини і т. П.), Виникають динамічні навантаження, в тому числі ударні. Появі динамічних навантажень сприяють також дефекти колісної пари - місцеві пороки поверхонь катання, ексцентричність посадки колеса на вісь, неврівноваженість колісної пари і ін. При відсутності ресорного підвішування кузов жорстко сприймав би все динамічні дії і відчував великі прискорення.
Пружні елементи, розташовані між колісними парами і кузовом, під впливом динамічної сили з боку колісної пари деформуються і здійснюють коливальні рухи разом з кузовом, причому період таких коливань у багато разів більше, ніж період зміни вимушених коливань. Внаслідок цього зменшуються прискорення і сили, які сприймаються кузовом.

Пом'якшувальну дію ресорного підвішування при передачі кузову поштовхів розглянемо на прикладі руху вагона по рейковому шляху. При коченні колеса вагона по рейковому шляху через нерівності рейки і дефектів поверхні кочення колеса кузов вагона, при безрессорном з'єднанні його з колісними парами буде копіювати траєкторію руху колеса (рис. а). Траєкторія руху кузова вагона (лінія а1-в1-з1) збігається з нерівністю шляху ( лінія а-в-с). При наявності ресорного підвішування вертикальні поштовхи (рис. б) Передаються кузову через пружні елементи, які, пом'якшуючи і частково поглинаючи поштовхи, забезпечують більш спокійний і плавний хід вагона, оберігають рухомий склад і шлях від передчасного зносу і пошкоджень. Траєкторію руху кузова при цьому можна зобразити лінією а1-В2-с2, яка має більш пологий вигляд у порівнянні з лінією а в с. Як видно з рис. б, Період коливань кузова на ресорах у багато разів більше, ніж період зміни вимушених коливань. Внаслідок цього зменшуються прискорення і сили, які сприймаються кузовом.

Пружини широко застосовуються в вагонобудуванні, в візках вантажних і пасажирських вагонів, в ударно-тягових приладах. Розрізняють пружини гвинтові і спіральні. Гвинтові пружини виготовляють завивкою з прутків стали круглого, квадратного або прямокутного перерізу. За формою гвинтові пружини бувають циліндричні і конічні.

Різновиди гвинтових пружин
а - циліндричні з прямокутним перетином прутка; б - циліндричні з круглим перетином прутка; в - конічні з круглим перетином прутка; г - конічні з прямокутним перетином прутка

У ресорному підвішування сучасних вагонів найбільшого поширення набули циліндричні пружини. Вони прості у виготовленні, надійні в роботі і добре амортизують вертикальні і горизонтальні поштовхи і удари. Однак вони не можуть гасити коливання обрессоренних мас вагона і тому застосовуються тільки в поєднанні з гасителями коливань.
Пружини виготовляють відповідно до ГОСТ 14959. Опорні поверхні пружин роблять плоскими і перпендикулярними до осі. Для цього кінці заготовки пружини відтягуються на 1/3 довжини окружності витка. В результаті цього досягається плавний перехід від круглого до прямокутного перетину. Висота відтягнутого кінця пружини повинна бути не більше 1/3 діаметра прутка d, а ширина - не менше 0,7d.
Характеристиками циліндричної пружини є: діаметр прутка d, середній діаметр пружини Д висота пружини у вільному Нсв і стислому НЖУ станах, число робочих витків nр і індекс т. Індексом пружини називається відношення середнього діаметра пружини до діаметру прутка, тобто т \u003d D / d.

Ціліндрічекая пружина і її параметри

Матеріал для пружин і ресор

Матеріал для ресор і пружин повинен володіти високою статичної, динамічної, ударною міцністю, достатньою пластичністю і зберігати свою пружність протягом усього терміну служби ресори або пружини. Всі ці властивості матеріалу залежать від його хімічного складу, структури, термічної обробки та стану поверхні пружного елемента. Ресори і пружини для вагонів виготовляються зі сталі 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А (ГОСТ 14959-79). Хімічний склад сталей в процентах: С \u003d 0,52 - 0,65; Mn \u003d 0,6 - 0,9; Si \u003d 1,5 - 2,0; S, P, Ni не більше 0,04 кожного; Cr не більше 0,03. Механічні властивості термічно оброблених сталей 55С2 і 60С2: межа міцності 1300 МПа при відносному подовженні 6 і 5% і звуження площі перетину 30 і 25%, відповідно.
При виготовленні пружини і амортизатори піддаються термічній обробці - гартуванню та відпуску.
Міцність і зносостійкість ресор і пружин в більшій мірі залежить від стану поверхні металу. Всякі пошкодження поверхні (дрібні тріщини, полон, заходи, вм'ятини, ризики і тому подібні дефекти) сприяють концентрації напружень при навантаженнях і різко знижують межа витривалості матеріалу. Для поверхневого зміцнення на заводах застосовують дробеструйную обробку ресорних листів і пружин.
Суть цього способу полягає в тому, що пружні елементи піддають дії потоку металевої дробу діаметром 0,6-1 мм, що викидається з великою швидкістю 60-80 м / с на поверхню листа ресори або пружину. Швидкість польоту дробу підбирається такий, щоб в місці удару створювалося напруга вище межі пружності, а це викликає в поверхневому шарі металу пластичну деформацію (наклеп), що в кінцевому підсумку зміцнює поверхневий шар пружного елемента.
Крім дрібоструминного обробки, для зміцнення пружин можуть застосовувати заневоліваніе, що полягає в дотриманні пружин в деформованому стані певний час. Пружина завивається таким чином, що відстані між витками в вільному стані робляться на деяку величину більше, ніж за кресленням. Після термічної обробки пружину знімають до зіткнення витків і витримують в такому стані від 20 до 48 годин, потім її розігрівають. При стисненні в зовнішній зоні поперечного перерізу прутка створюються залишкові напруги зворотного знака, внаслідок чого при її роботі справжні напруги виявляються менше, ніж вони були б без заневоліванія.

На фото - нові циліндричні пружини

Навивка пружин в нагрітому стані

Перевірка пружності пружини

Циліндричні пружини в залежності від навантаження, що сприймається ними, роблять однорядними або багаторядними. Багаторядні пружини складаються з двох, трьох і більше пружин, вкладених одна в іншу. В дворядних зовнішня пружина виготовляється з дроту більшого діаметру, але з малим числом витків, внутрішня - з прутка меншого діаметру і з великим числом витків. Для того щоб при стисканні витки внутрішньої пружини не затискалися між витками зовнішньої, обидві пружини завивають в різні боки. У багаторядних пружинах розміри прутків також зменшуються від зовнішньої пружини до внутрішньої, а число витків відповідно збільшується.

Багаторядні пружини дозволяють при тих же габаритах, що і у однорядною пружини, мати велику жорсткість. Широке застосування дворядні і трирядне пружини отримали в візках вантажних і пасажирських вагонів, а також поглинають апаратах автозчепних пристроїв. Силова характеристика багаторядних пружин є лінійної.
У деяких конструкціях дворядних пружин (наприклад, в візках 18-578, 18-194) зовнішні пружини ресорного комплекту вищі за внутрішні, завдяки чому жорсткість підвішування у порожнього вагону в 3 рази менше, ніж у навантаженого.

Пружини встановлені на вагоні

В останнім часом знову почали застосовувати давно відомі в техніці, але мало що застосовуються багатожильні пружини, що складаються з декількох дротів (жив), свити в канати (рис. 902, I-V), з яких навиваются пружини (стиснення, розтягування, кручення). Кінці каната обваривают щоб уникнути расплеткі жив. Кут плетення δ (див. Рис. 902, I) зазвичай роблять рівним 20-30 °.

Напрямок скрутки троса вибирають з таким розрахунком, щоб трос при пружною деформації пружини скручувався, а не розкручувався. Пружини стиску з правим підйомом витків роблять з канатів лівої плетення, і навпаки. У пружин розтягування напрямок скруту і нахил витків повинні збігатися. У пружинах крутіння напрямок плетення байдуже.

Щільність плетення, крок скруту і технологія завивки надають великий вплив на пружні характеристики багатожильних пружин. Після сукання каната відбувається пружна віддача, жили відходять один від одного. Навивка пружин, в свою чергу, змінює взаємне розташування жив витків.

У вільному стані пружини між жилами практично завжди є просвіт. У початкових стадіях навантаження пружини жили працюють як окремі дроту; її характеристика (рис. 903) має пологий вигляд.

При подальшому збільшенні навантажень трос скручується, жили змикаються і починають працювати як одне ціле; жорсткість пружини зростає. З цієї причини характеристики багатожильних пружин мають точку перелому (а), відповідну початку змикання витків.

Перевага багатожильних пружин обумовлено наступним. Застосування декількох тонких дротів замість однієї масивної дозволяє підвищити розрахункові напруги в силу властивої тонким проволокам підвищеної міцності. Виток, складений з жив малого діаметра, має більшу піддатливість, ніж еквівалентний масивний виток, почасти завдяки підвищеним допускаються напруженням, а головним чином, завдяки вищому значенню для кожної окремої жили індексу з \u003d D / d, різко впливає на жорсткість.

Полога характеристика багатожильних пружин може виявитися корисною в ряді випадків, коли потрібно в обмежених осьових і радіальних габаритах отримати великі пружні деформації.

Інша відмінна риса багатожильних пружин - підвищена демпфуюча здатність, обумовлена \u200b\u200bтертям між витками при пружною деформації. Тому такі пружини можуть бути використані для розсіювання енергії, при толчкообразних навантаженнях, для гасіння коливань, що виникають при таких навантаженнях; вони також сприяють самозагасання резонансних коливань витків пружини.

Однак підвищене тертя викликає знос витків, що супроводжується зниженням опору втоми пружини.

при порівняльної оцінки гнучкості багатожильних пружин і однодротових пружин часто припускаються помилки, порівнюючи між собою пружини з однаковою площею перерізу (сумарною для багатожильних) витків.

При цьому не враховують ту обставину, що здатність навантаження багатожильних пружин при інших рівних умов менше, ніж однодротових пружин, і вона зменшується зі збільшенням числа жив.

В основу оцінки треба покласти умова рівної здатності навантаження. Тільки при цьому правильно з різним числом жив. При цій оцінці переваги багатожильних пружин виглядають скромнішими, ніж можна було б очікувати.

Порівняємо податливість багатожильних пружин і сплетений пружини при однакових середньому діаметрі, зокрема витоків, силі (навантаженні) Р і запасі міцності.

Будемо в першому наближенні розглядати багатожильний пружину як ряд паралельно працюють пружин з витками малого перетину.

Діаметр d "жили багатожильної пружини при цих умовах пов'язаний з діаметром d масивної дроту співвідношенням

де n - число жив; [Τ] і [τ "] - допустимі напруження зсуву; k і k" - коефіцієнти форми пружини (їх індекс).

Зважаючи на близькість величин до одиниці можна записати

Ставлення мас порівнюваних пружин

або з підстановкою величини d "/ d з рівняння (418)

Значення відносин d "/ d і m" / m в залежності від числа жив наведені нижче.

Як видно, зменшення діаметра дроту у багатожильних пружин зовсім не таке велике, щоб дати суттєву перевагу в міцності навіть в області малих значень d і d "(до речі кажучи, ця обставина виправдовує зроблене вище припущення про близькість фактора до одиниці.

Ставлення деформації λ "багатожильної пружини до деформації λ пружини з цілої дроту

Підставляючи в це вираз d "/ d з рівняння (417), отримуємо

Значення [τ "] / [τ], як зазначено вище, близьке до одиниці. Тому

Підраховані з цього виразу значення λ "/ λ для різного числа жив n наведені нижче (при визначенні прийнято для k початкове значення k \u003d 6).

Як видно, при вихідному допущенні рівності навантаження перехід на багатожильні пружини забезпечує при реальних значеннях числа жив виграш в податливості 35-125%.

На рис. 904 наведена зведена діаграма зміни факторів d "/ d; λ" / λ і m "/ m для рівнонапруженості і равнопрочних багатожильних пружин в залежності від числа жив.

Поряд зі збільшенням маси у міру збільшення числа жив слід враховувати збільшення діаметра перетину витків. Для числа жив в межах n \u003d 2-7 \u200b\u200bдіаметр перетину витків в середньому на 60% більше діаметра еквівалентної цілої дроту. Це призводить до того, що для збереження просвіту між витками доводиться збільшувати крок і загальну довжину пружин.

Виграш в податливості, що забезпечується багатожильними пружинами, цілком можна отримати в сплетений пружині. Для цього одночасно збільшують діаметр D пружини; зменшують діаметр d дроту; підвищують рівень напружень (т. е. застосовують якісні стали). В кінцевому рахунку равноводатлівая однодротова пружина володітиме меншою вагою, меншими габаритами і буде значно дешевше багатожильної пружини внаслідок складності виготовлення багатожильних пружин. До цього можна додати такі недоліки багатожильних пружин:

1) неможливість (у пружин стиснення) правильної заправки решт (сошліфовиванія торців пружини), що забезпечує центральне додаток навантаження; завжди є деяка Позацентрено навантаження, що викликає додатковий вигин пружини;

2) складність виготовлення;

3) розсіювання характеристик з технологічних причин; затруднительность отримання стійких і відтворюваних результатів;

4) знос жив в результаті тертя між витками, наступаючий при багаторазово повторених деформаціях пружин і викликає різке падіння опору втоми пружин. Останній недолік виключає застосування багатожильних пружин при тривалому циклічному навантаженні.

Багатожильні пружини застосовні при статичному навантаженні і при періодичної динамічному навантаженні з обмеженим числом циклів.

У приладобудуванні широко застосовують пружини різних геометричних форм. Вони бувають плоскими, вигнутими, спіральними, гвинтовими.

6.1. плоскі пружини

6.1.1 Застосування і конструкції плоских пружин

Плоска пружина представляє собою пластину, яка працює на вигин і виготовлену з пружного матеріалу. При виготовленні їй можна надати форму, зручну для її розміщення в корпусі приладу, при цьому вона може займати небагато місця. Плоску пружину можна виготовити практично з будь-якого пружинного матеріалу.

Плоскі пружини широко застосовують в різних електроконтактних пристроях. Найбільшого поширення набула одна з найпростіших форм плоского пружини у вигляді прямого стрижня, защемленого одним кінцем (рис. 6.1, а).

а - контактна група електромагнітного реле; б - перекидний контакт;

в - ковзаючі контактні пружини

Рис. 6.1 Контактні пружини:

За допомогою плоскої пружини може бути виконана перекидна пружна система мікровимикача, що забезпечує досить високу швидкість спрацьовування (рис. 6.1, б).

Плоскі пружини застосовують також в електроконтактних пристроях як ковзаючі контактів (рис. 6.1, в).

Пружні опори та направляючі, виготовлені з плоских пружин, що не мають тертя і люфтів, не потребують мастилі, не бояться забруднень. Недолік пружних опор і направляючих - обмеженість лінійних і кутових переміщень.

Значні кутові переміщення допускає вимірювальна пружина спіральної форми - волосок. Волоски широко застосовують у багатьох показують приладах і призначених для вибору люфтів передавального механізму приладу. Кут закручування волоска обмежують як з міркувань міцності, так і в зв'язку з втратою стійкості плоскої форми вигину волоска при досить великих кутах закручування.

Спіральну форму мають заводні пружини, які виконують роль двигуна.

Рис. 6.2 Способи закріплення плоских пружин

6.1.2 Розрахунок плоских і спіральних пружин

Плоскі прямі і вигнуті пружини представляють собою пластину заданої форми (прямій чи вигнутій), яка під дією зовнішніх навантажень пружно згинається, т. Е. Працює на вигин. Ці пружини застосовують зазвичай в тих випадках, коли сила діє на пружину в межах невеликого ходу.

Залежно від способів закріплення і місць прикладання навантажень розрізняють плоскі пружини:

- працюють як консольні балки з зосередженим навантаженням на вільному кінці (рис. 6.2 а);

- працюють як балки, вільно лежать на двох опорах з зосередженим навантаженням (рис. 6.2 б);

- працюють як балки, один кінець яких закріплений, а інший вільно лежить на опорі з зосередженим навантаженням (рис. 6.2 в);

- працюють як балки, один кінець яких шарнірно закріплений, а інший вільно лежить на опорі з зосередженим навантаженням (рис. 6.2 г);

- що представляють собою круглі пластини, закріплені по краях і навантажені по середині (мембрани) (рис. 6.2 д).

а) в) г)

При конструюванні плоских листових пружин слід по можливості вибирати для них найбільш прості форми, що полегшують їх розрахунок. Плоскі пружини розраховують за формулами,

Прогин пружини від навантаження в, м
Товщина пружини в м
Ширина пружини в м
	Здається за умовами роботи
Рр	вибираються по
Робочий прогин пружини в м		конструктивним
Робоча довжина пружини в м		міркувань

Спіральні пружини зазвичай поміщають в барабан для додання пружині певних зовнішніх розмірів.