5. Расчет пружин

Основными элементами кинематической схемы электрического аппарата, создающими различные механические усилия, необходимые для работы аппарата, являются пружины. Наибольшее распространение в тяговых аппаратах получили цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения. К ним относятся притирающие и выключающие пружины.

Цилиндрическая винтовая пружина сжатия изготавливается из круглой проволоки диаметром d и имеет линейную характеристику.

Материал, применяемый для изготовления винтовых пружин — по большей части стальная, реже бронзовая круглая проволока, в основном работает на кручение, вне зависимости от того, работает ли пружина на сжатие или на растяжение.

Исходными величинами для определение размеров и числа витков выключающей пружины являются: необходимая сила F_max, которую должна развивать пружина, и ее жесткость Ж. Кроме того, надо выбрать материал в [1., прилож.7 табл. П.7.1], определив его модуль сдвига и допустимое напряжение при кручении. Выбираем стальную проволоку G=78500Н/мм:

τ_доп=[τ]/n=800/1,5=533,3 Н/мм². (5.1)

где n=1,5 - коэффициент запаса прочности материала пружины;

[τ] – предел прочности на срез (при кручении), [τ]=800 Н/мм²

Выбираем индекс пружины с=10 , и определяем диаметр проволоки d, мм,

(5.2)

где F_max – сила, которую развивает отключающая пружина; F_max=426 Н

Принимаем d=5 мм.

Средний диаметр пружины определяем по формуле:

D=c·d=10·5=50 мм. (5.3)

Число витков пружины, участвующих в создании усилия (так называемых активных витков), определяем по формуле:

витков (5.4)

где Ж_о=6,7 Н/мм – жесткость выключающей пружины.

Принимаем n=8 витков.

Концы цилиндрических пружин сжатия выполняются за счет подгибки крайних витков, а при большом диаметре проволоки – их шлифовки таким образом, чтобы образовавшаяся плоскость была перпендикулярна оси пружины. Крайние подогнутые витки рабочими не считаются, и полное число витков пружины сжатия в этом случае:

N=n+2=8+2=10 витков. (5.5)

При определении диаметра пружины следим за тем, чтобы наружный диаметр пружины

D_н=D+d=50+5=55 мм. (5.6)

не превышал диаметр цилиндра, D_ц=56 мм .

Шаг пружины с расчетом на прогиб:

мм. (5.7)

Свободная длина пружины:

L_св=t·n+1,5·d=13·8+1,5·5≈112мм. (5.8)

Существенным недостатком пружин сжатия является потеря ими устойчивости при большой длине: под действием нагрузки длинная пружина сжатия может выгибаться. Для обеспечения достаточной устойчивости пружин сжатия рекомендуются, чтобы отношение свободной длины пружины к диаметру:

(5.9)

Для притирающей пружины выбираем стальную проволоку. G=78500Н/мм; τ_доп=[τ]/n=800/1,5=533,3 Н/мм². Выбираем индекс для пружины с₁=10, и определяем диаметр проволоки d₁, мм,

(5.10)

где F_max1 – сила, которую развивает притирающая пружина; F_max1=133 Н.

Средний диаметр пружины определяем по формуле:

D₁=c₁·d₁=10·2,8=28 мм. (5.11)

Число витков пружины, участвующих в создании усилия (так называемых активных витков), определяем по формуле:

витков (5.12)

где Ж_п=1,8 Н/мм – жесткость выключающей пружины.

Принимаем n₁=17 витков.

Концы цилиндрических пружин сжатия выполняются за счет подгибки крайних витков, а при большом диаметре проволоки – их шлифовки таким образом, чтобы образовавшаяся плоскость была перпендикулярна оси пружины. Крайние подогнутые витки рабочими не считаются, и полное число витков пружины сжатия в этом случае:

N₁=n₁+2=17+2=19 витков. (5.13)

При определении диаметра пружины следим за тем, чтобы наружный диаметр пружины

D_н1=D₁+d₁=28+2,8=30,8 мм. (5.14)

не превышал ширины контактов b=32 мм.

Шаг пружины с расчетом на прогиб:

мм. (5.15)

Свободная длина пружины:

L_св1=t₁·n₁+1,5·d₁=7,3 ·17+1,5·2,8≈129 мм. (5.16)