книги из ГПНТБ / Лариков Е.А. Узлы и детали механизмов приборов. Основы теории и расчета

Понятие «чувствительность» не следует смешивать с понятием «порог чувствительности», под которым понимают наименьшее значение приращений входной величины ААпх, например, при­ ращение давления на входе ДАП Х = Ар, на которую упругий элемент реагирует фиксируемым приращением выходной величины Д^вых (например, изменение давления на входе на величину Ар приводит к деформации АХ, которую должно фиксировать изме­ рительное устройство).

6)г)

Рис. 112. Соединение упругих элементов:

а, г — параллельное соединение пружин; б, д — последовательное соединение пружин; в — изменение жесткости при неодновременном включении параллельно соединенных

пружин

Более распространенным, более принятым для расчетов яв­ ляется понятие «жесткость» — важнейшая техническая характе­ ристика всякой пружины. При проведении расчетов ее обычно определяют первой, исходя из условий работы пружины в меха­ низме.

Если в механизме применяют несколько совместно работаю­ щих пружин, их суммарная жесткость определяется в зависи­

При параллельном соединении пружин жесткость системы равна сумме жесткостей входящих в нее упругих элементов, а при последовательном соединении чувствительность системы равна

240

ристику, можно получить систему пружин, обладающую пере­ менной жесткостью (рис. 112, в).

Усилие, с которым упругий элемент воздействует на препят­ ствия, ограничивающие его перемещение, называют тяговым уси­ лием. Его величина зависит от нагрузки, вызывающей деформа­ цию пружины, конструкции и размеров пружин, а также располо­ жения препятствий, мешающих ее перемещению. Если пружины не входят в соприкосновение с такими препятствиями, то тяго­ вое усилие не возникает.

62. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

При выборе материала для изготовления пружины необхо­ димо знать, для абсолютных или относительных измерений они предназначены или будут работать как силовые.

Кроме того, должны быть уточнены: геометрическая форма и расположение упругих элементов в приборе, характер нагру­ зок, условия работы (наличие вибраций, магнитных полей, темпе­ ратурный режим и т. д.). Это необходимо учесть, чтобы правильно сформулировать требования, предъявляемые к материалам пру­ жин, и установить наиболее важные из них и удовлетворить именно им, иногда даже в ущерб остальным требованиям.

Например, при проектировании термостойкой и электропрово­ дящей пружины, нужно выяснить какое ее свойство важнее для проектируемой конструкции. Если этим свойством является термо­

должны удовлетворять материалы всех упругих элементов. К их числу отнести высокие упругие и механические свойства, анти-

ское последействие, релаксация). Они проявляют себя в иска­ жении упругой характеристики пружин (рис. 113) и в изменении их физико-механических свойств.

Искажение упругой характеристики может произойти также под влиянием температуры окружающей среды (рис. 114), что при­ водит к изменению модулей упругости. Оно сопровождается, также

оценивают способность материала восстанавливать свои первона­ чальные размеры после температурного воздействия. Так, в интер­

взятых от одного куска, то разброс данных, полученных при исследовании разными авторами, может происходить как за счет неточности проведения эксперимента, так и за счет влияния тех­ нологии изготовления на качество материала, взятого с различ­ ных участков образца.

2 44 •

ботающих в условиях значительного изменения температур, сле­ дует производить экспериментальное определение величины тем­ пературной погрешности.

Необходимо указать, что сравнение погрешностей, возникаю­ щих при работе металлических пружин (из бронзы, инвара, элин­ вара и т. д.) с погрешностями кварцевых пружин позволяет утверждать, что точность работы последних на 2 — 4 порядка выше, чем металлических [34].

Однако и кварцевые упругие элементы также обладают зна­ чительными погрешностями, особенно ощущаемыми при относи­ тельных измерениях, когда важны не столько исходные абсолют­ ные значения самих физических и механических характеристик пружин, сколько отклонения от них под воздействием различных факторов (время, температура).

Практика применения как металлических, так и кварцевых пружин показывает, что им свойственно значительное изменение упругих свойств со временем, под влиянием изменения темпера­ туры, нагрузки и т. д. Это изменение, его иногда называют «неупругим поведением», наблюдается даже при работе пружин в условиях термо- и баростабилизации, когда исключается воз­ действие температуры и давления (например, при использовании их в качестве упругих опор гравиметров или акселерометров).

245

Так, например, в МВТУ им. Н. Э. Баумана был изготовлен опытный образец морского гравиметра (см. рис. 109), испытания которого как в лабораторных, так и в эксплуатационных усло­ виях дали положительные результаты.

Для изготовления пружин могут быть использованы ните­ видные кристаллы [15, 27], тонкие ленты, иглы малого диаметра (порядка 25 мкм), пластинки и т. д., производство которых в на­ стоящее время налажено в полупроводниковой промышленности. Кривые, характеризующие деформацию и прочность нитевидных кристаллов, приведены на рис. 115, а физико-механические характеристики в табл. 15.

Таблица 15

Физико-механические характеристики нитевидных монокристаллов

Нитевидные кристаллы, размеры и формы сечения которых могут быть различными в зависимости от способа направления и скорости выращивания, представляют собой готовый упругий элемент.

Из монокристаллической пластинки, используя метод тра­ вления, можно получить произвольную форму упругого элемента с заданным кристаллографическим направлением. Соединение деталей из монокристаллов можно выполнять методом диффу­ зионной сварки, не нарушающей их структуры.

247

Вероятно, упругие элементыНз таких материалов могут найти применение не только в качестве упругих подвесов, но и в ка­ честве измерительных пружин. В пользу этого говорит возмож­ ность регистрации перемещений монокрнсталлической пружины разнообразными способами (емкостным, резонансным, интерфе­ ренционным и т. д.). Очень перспективной представляется воз­

требует длительных наблюдений и изучения, поэтому конструк­ цию и технологию изготовления упругих элементов обычно от­ рабатывают в процессе производства.

Отсутствуют простейшие системы допусков на характеристики упругих элементов. Допуски на характеристику, геометрические размеры и механические свойства материала, устанавливаемые в чертежах, в большинстве случаев не согласованы друг с дру­

248

В целях уменьшения или исключения остаточных деформаций упругих элементов при эксплуатации в технологическом процессе предусматривают стабилизацию. Стабилизация при напряжении выше предела текучести материала сопровождается существен­ ными необратимыми остаточными деформациями и соответствую­ щим изменением первоначальных размеров пружин. Опыт про­ изводства прецизионных упругих элементов с допустимым изме­ нением характеристики менее 1—2% показывает, что существую­ щие методы стабилизации не гарантируют такого постоянства упругих свойств.

При проектировании пружин необходимо учитывать факторы, приводящие к нестабильности пружин (п. 63).

Высокая циклическая прочность является одним из важных эксплуатационных показателей силовых упругих элементов, ра­ ботающих при переменных импульсных или ударных нагрузках с большим ограниченным или неограниченным числом циклов нагружений. Применительно к измерительным упругим элементам этот показатель не столь типичен, так как последние работают при статической или плавно изменяющейся нагрузке со сравни­ тельно небольшим общим количеством циклов нагружений.

Решение проблемы обеспечения необходимой циклической прочности связано с необходимостью повышения механических свойств материала, например, путем применения более совер­ шенной термообработки, уменьшения шероховатости и т. д.

Температурные погрешности, в основном, связаны с измене­ нием механических и физических свойств материала, конструктив­ ной формы упругих элементов под влиянием температуры и усло­ вий эксплуатации. От технологии изготовления эти погрешности

меньше а к р ;

3)разрушений вследствие усталости материала, т. е. необхо­ димо учитывать его усталостные характеристики и требования долговечности;

4)возникновения ползучести материала.

Обозначив через стпр предельное значение напряжений, при котором пружина достигает предельного, недопустимого для нормальной работы состояния, определяют величину наибольшего рабочего напряжения, пользуясь уравнением

где я—коэффициент запаса, обусловленный основными требо­ ваниями на пружину (ответственность, надежность, ус-

249

^тах

Значения запаса прочности, взятого.по отношению к пределу текучести схт определяют как пт — -^t - по пределу прочности, а в

,°гп'ах

определяют как пв = 0 В ' и т. д.

°тах

63.ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ П Р У Ж И Н

Расчет и проектирование конкретных типов • пружин произ­ водится с учетом специфики их работы, связанной с геометрической формой, назначением, технологией изготовления и другими осо­ бенностями, свойственными данному типу пружин.

Вместе с тем существуют положения, которыми руководст­ вуются при проектировании и расчете пружин почти всех типов. Они приведены ниже.

1. Задание исходных данных. При проектировании и расчетах желательно знать: условия работы пружины; нагрузки (давление, сила, момент силы), которые должна развивать или преодолевать пружина при работе; соответствующие этим нагрузкам линейные

и проектирования. Например, могут быть известны минималь­ ные значения нагрузки Р и соответствующей ей деформации А,,. а о приращениях деформаций ДА и соответствующих приращениях нагрузок АР приходится делать предположения, или могут быть известны, приращения нагрузок АР и желаемые приращения де­ формации ДА,, а начальными силами или деформациями надо задаваться.

В таких* случаях приходится дополнять задание недостающими сведениями, руководствуясь при этом, с одной стороны, кон­ структивными соображениями (опыт, накопленный проектирую­

ханизме деталей и узлов, сама спроектированная пружина была бы приемлема по размерам и технологична, а величина деформации

250