Пружины. Конструкции, материалы, расчет

Пружины сжатия навиваются из круглой проволоки с зазором между витками. Они используются в тех случаях, когда нужны сравнительно большие деформации. Отношение максимального перемещения одного витка пружины к диаметру проволоки s₃ /d = 0,3...0,8.

Использование круглого сечения связано с тем, что оно лучше других работает на кручение при нагружении. Для обеспечения работоспособности узлов с пружинами сжатия при конструировании необходимо выполнить ряд требований:

? контакт между торцевыми витками и опорными деталями должен осуществляться на плоской поверхности, перпендикулярной к оси пружины;

? площадь контакта должна (по возможности) представлять собой полное кольцо для избежания дополнительного нагружения от изгиба;

? конструкция торцевых витков должна обеспечить правильное центрирование пружины в опорных элементах деталей.

Обеспечение этих условий достигается осадкой 0,75.. Л торцевых витков с каждой стороны и шлифовкой торцев пружин на плоскость, а также наличием в узле деталей, центрирующих ее с обоих концов.

На рис. 17.1 приведена пружина сжатия с вариантом за- концовки, при котором крайний виток пружины поджат на ³/₄ и сошлифован на ³/₄ дуги окружности (к — зазор между концом опорного витка толщи- ной 5 и соседним рабочим вит- ^ис’ * ком). На рис. 17.1 t — шаг пру

жины в свободном состоянии; Н₃, Н₀ — длина пружины при максимальной силе F₃ и в свободном состоянии (F = 0); —

перемещение пружины под действием силы F_t; h — рабочий ход; F₃ — сила пружины при максимальном перемещении з₃; F_x — сила пружины при предварительном перемещении 8_г; F₂ — сила пружины при рабочей деформации s₂.

Пружины характеризуются следующими геометрическими параметрами: диаметром проволоки d; средним диаметром пружины D; шагом витка t; углом подъема витков a, tg а = = t/(nD); длиной рабочей части пружины Н_р; числом рабочих витков п — H_p/t_f Н_р = Н₀ - Н_К, Н_к = 1,5d (витки сошлифова- ны с каждого конца на 0,75d).

В ГОСТах 13766—86— 13775—86 на пружины сжатия регламентируются параметры витка пружины; диаметр проволоки <2, наружный диаметр пружины D_l и максимальное

перемещение одного витка s₃, что позволяет определить шаг пружины в свободном состоянии t = d + s₃. Также в ГОСТах приводится сила F₃ пружины при максимальном перемещении и жесткости одного витка с_х и устанавливается соотношение между силами F₃ = k_xF₂ (k_x = 1,15... 1,3).

Эти данные позволяют определить все параметры рабочих витков пружины.

Центрирование пружины. При установке пружины сжатия на изделии она должна центрироваться с обоих торцов. Обычно центрирование осуществляется по внутренней поверхности

Рис. 17.2

витков (рис. 17.2, а), а при установке пружины в гильзах — по наружной (рис. 17.2, б). Для опорных витков пружины у сопряженных деталей делаются центрирующие пояски высотой Л_ц * (1...1,5)<2. На других участках для устранения износа предусматривается больший зазор А.

Устойчивость пружины. У пружин сжатия большой длины бывает потеря устойчивости, при которой происходит изгиб пружины. Для центрированных пружин при осевой нагрузке устойчивость обеспечивается до l/D * 3...5 (I — длина пружины).

Если имеется необходимость в применении длинных пружин, то предусматриваются конструктивные мероприятия для устранения потери устойчивости. Для этого вводятся дополнительные центрирующие участки по краям или в средней части пружины.

Составные концентрические пружины сжатия используются для увеличения жесткости системы при сохранении радиальных размеров или увеличения нагрузочной способности.

Пружины растяжения навиваются обычно вплотную. Для соединения с деталями концы пружины снабжены зацепами. Некоторые конструкции зацепов приведены на рис. 17.3, а. Зацепы, выполненные заодно с пружиной, подвержены изгибу и применяются лишь в слабонагруженных пружинах. Пружина растяжения устанавливается с началь-

Рис. 17.3

ным натяжением, сила которого определяется условиями работы. Шаг витка при начальном натяжении делают не менее

1,5...2 диаметров проволоки. Пружины растяжения центрируются лишь точками опоры, что позволяет ей смещаться относительно исходного положения. Поэтому пружины растяжения часто используются для соединения деталей, угловое положение которых изменяется при работе.

Порядок расчета пружин сжатия и растяжения

На винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения из стали круглого сечения имеются ГОСТы, в которых регламентируются и рекомендуются к использованию в расчетах максимальные касательные напряжения т₃ при действии максимальной силы F₃. Отметим, что такие пружины работают в основном на кручение.

Расчет проиллюстрируем на примере стальной пружины сжатия. Для пружин растяжения расчет аналогичен.

Исходные данные: сила пружины при предварительном перемещении F_x и рабочем перемещении F₂. Рабочий ход Л.

Решение. 1. Определяется величина силы F_s пружины при максимальной деформации F₃ = k_x • F₂ (k_x = 1,15...1,3).

2. Для выбранного материала находится максимальное касательное напряжение т₃ (см. разд. 17.1 «Материалы»).

3. Задается индекс пружины i = D/d. Рекомендуются следующие индексы i в зависимости от диаметра проволоки:

диаметр проволоки...................<2,5 3...5 6...12

индекс пружины..................... 5...12 4...10 4...9

Следует учитывать, что при увеличении индекса сокращается длина пружины за счет увеличения диаметра.

* №

5. Находится диаметр проволоки d = 2,83 /- =

4. Определяется коэффициент, учитывающий кривизну витков,

= 1 _у6 jF₃ki/x_s. Поскольку расчет ведется по максимальной нагрузке, то используется максимальная сила и максимальные напряжения. Полученное значение округляется до значения диаметра d, соответствующего сортаменту.

6. Определяется средний диаметр пружины D — di.

7. Необходимое число витков п для обеспечения рабочего перемещения пружины s₂ п = Gd*/(8D³c) = Gd/(8ci³), где с =

F₂-F_x

= ——- — жесткость пружины. п

б)

Рис. 17.4

Тарельчатые пружины предназначены для восприятия больших сжимающих сил при малых перемещениях. Эти пружины изготавливаются в виде тарелок без днищ из стали марки 60С2А, твердость материала 45,5...51,5 HRC₃ (рис. 17.4, а, где D, D_x — наружный и внутренний диаметры пружины). Тарельчатые пружины располагаются в комплекте из нескольких штук (см. табл. 17.1). Рабочая деформация пружины s =

= 0,8-f₃.

Пружины кручения. К ним относятся витые, плоские спиральные пружины и торсионы. При использовании пружин кручения нужно учитывать то, что плоские спиральные пружины имеют меньшие габариты и большую податливость, чем витые цилиндрические, но выдерживают меньшие крутящие моменты. Торсионы имеют малые радиальные размеры, но большую длину и воспринимают значительные крутящие моменты при небольшой податливости (рис. 17.4, б, где 3 — за- концовка). Витые цилиндрические пружины кручения навиваются из проволоки круглого сечения с зазором 0,2...0,5 мм между витками, во избежание трения между ними. Примеры оформления концов пружины для восприятия крутящего момента приведены на рис. 17.3, б. При установке пружина должна центрироваться. Кроме того, диаметр центрирующего элемента должен выбираться так, чтобы при скручивании пружины, когда ее диаметр уменьшается, между витками пружины и центрирующей поверхностью оставался зазор. При действии крутящего момента основная нагрузка на виток связана с его изгибом.

Порядок расчета

витой цилиндрической пружины кручения

Исходные данные: вращающий момент пружины при предварительном закручивании 7, а при рабочем Т₂, рабочий угол закручивания 0 = <р₂ - Т_г = 0), то задают Т₂ и угол закручивания при рабочей деформации <р₂. Проволока таких пружин работает на изгиб.

Решение, 1. Определяется крутящий момент Т₃ при максимальной деформации пружины T_s = T₂k₂ (k₂ = 1,2... 1,3).

2. Находится т₃ для легированных сталей (см. разд. 17.1) и вычисляются максимальные изгибные напряжения а₃ = = 1,25т₃, а для углеродистых сталей а₃ = (0,4...0,6)а_в (большее значение при меньшем числе циклов нагружения).

3. Определяется диаметр проволоки пружины при нагруз- ке Т₃:

где k * (4i - l)/(4i - 4) — коэффициент, учитывающий кривизну пружины. Диаметр проволоки d принимается в соответствии с сортаментом.

4. Находятся другие параметры пружины кручения: D = = id, D_x — D + d; необходимое число рабочих витков п =* = 7LEd⁴0/[18O • 64 • (Т₂ - T_t)i] = 0,27-10~^sEd*Q/[(T₂ - T_x)i]; жесткость пружины с * (Т₂ - Т_х)/0; углы закручивания пружины при нагрузке вращающим моментом Т, <p_{f — TJc,</p}