Детали машин / Konspekty_lekcii / Конспекты лекций / Лекция 12. Муфты, упругие элементы

тормозные и заводные пружины, пружины запорных и предохранительных клапанов, уравновешивающих механизмов. Циклическая нагрузка действует на пружины амортизаторов кулачковых механизмов вибраторов. Характерная особенность заключается в том, что пружины рассчитываются не только

на прочность, но и на жесткость.

Материалы. Основным материалом пружин являются высокопрочная специальная пружинная проволока I, II и III классов (так как в них мала концентрация напряжений) диаметром 0,2-5 мм, а также высокоуглеродистые стали 65, 70, марганцовистая сталь 65Г, кремнистая сталь 60С2А, хромованадиевая сталь 51ХФА, кремневольфрамовая сталь 65С2ВА и др.

г

Рис. 12.23. Специальные пружины:

а – тарельчатая, б – кольцевая, в – спиральная, г – стержневая, д – рессора

Пружины, предназначенные для работы в химически активной среде, изготовляют из цветных сплавов.

Для защиты поверхностей витков от окисления пружины ответственного назначения покрывают лаком или промасливают, а пружины особо ответственного назначения оксидируют, а также наносят цинковое или кадмиевое покрытие.

8. Конструкции и расчет пружин

Пружины сжатия навиваются из круглой проволоки с зазором между витками. Они используются в тех случаях, когда нужны сравнительно большие деформации.

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;

21

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

Обеспечение этих условий достигается осадкой 0,75...1 торцевых витков с каждой стороны и шлифовкой торцев пружин на плоскость, а также наличием в узле деталей, центрирующих ее с обоих концов.

Пружины характеризуются следующими геометрическими параметрами: диаметром проволоки d; средним диаметром пружины D; шагом витка t; углом подъема витков α, длиной рабочей части пружины Нp; числом рабочих витков п. ГОСТы 13766-86 – 13775-86 на пружины сжатия регламентируют параметры витка пружины. Эти данные позволяют определить все параметры рабочих витков пружины.

Рис.12.24. Центрирование пружин

Центрирование пружины. При установке пружины сжатия на изделии она должна центрироваться с обоих торцов. Обычно центрирование осуществляется по внутренней поверхности витков (рис. 12.24, а), а при установке пружины в гильзах — по наружной (рис. 12.24, б). Для опорных витков пружины у сопряженных деталей делаются центрирующие пояски высотой hц = (1...1,5)d. На других участках для устранения износа предусматривается больший зазор .

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 (D — длина пружины).

Если имеется необходимость в применении длинных пружин, то предусматриваются конструктивные мероприятия для устранения

22

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. 12.22, а. Зацепы, выполненные заодно с пружиной, подвержены изгибу и применяются лишь в слабонагруженных пружинах. Пружина растяжения устанавливается с начальным 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 τ3 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 F1 и рабочем перемещении F2. Рабочий ход h.

Решение.

1. Определяется величина силы F3 пружины при максимальной деформации

F3 = k1 F2 (k1 = 1,15…1,3).

2.Для выбранного материала находится максимальное касательное напряжение τ3

3.Задается индекс пружины i =D/d. Следует учитывать, что при увеличении индекса сокращается длина пружины за счет увеличения диаметра.

4.Определяется коэффициент, учитывающий кривизну витков k

5.Находится диаметр проволоки d*. 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.

23

7. Определяется необходимое число витков п для обеспечения рабочего перемещения пружины.

Тарельчатые пружины предназначены для восприятия больших сжимающих сил при малых перемещениях.

Рис. 12.25. Тарельчатая пружина и торсион

Эти пружины изготавливаются в виде тарелок без днищ из стали марки 60С2А, твердость материала 45,5...51,5 НКСЭ (рис. 12.25, а, где D, D1 — наружный и внутренний диаметры пружины). Тарельчатые пружины располагаются в комплекте из нескольких штук. Рабочая деформация пружины s = 0,8f3.

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. 12.24, б, где 3 — законцовка). Витые цилиндрические пружины кручения навиваются из проволоки круглого сечения с зазором 0,2...0,5 мм между витками, во избежание трения между ними. 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.

24

Порядок расчета витой цилиндрической пружины кручения

Исходные данные: вращающий момент пружины при предварительном закручивании Т1, а при рабочем Т2, рабочий угол закручивания Θ = υ2 – υ1. Если предварительная нагрузка не предусматривается (крутящий момент Т1 = 0), то задают Т2 и угол закручивания при рабочей деформации υ2. Проволока таких пружин работает на изгиб.

Решение.

1. Определяется крутящий момент Т3 при максимальной деформации пружины

Т3 = Т2k2 (k2 = 1,2...1,3).

2.Находится τ3 для легированных сталей и вычисляются максимальные изгибные напряжения σ3 = 1,25τ3, а для углеродистых сталей σ3 = (0,4...0,6)σв (большее значение при меньшем числе циклов нагружения).

3.Определяется диаметр проволоки пружины d при нагрузке Т3. Диаметр проволоки принимается в соответствии с сортаментом.

4.Находятся другие параметры пружины кручения: D = di; необходимое число рабочих витков п; жесткость пружины с; углы закручивания пружины при нагрузке вращающим моментом.

Плоские спиральные пружины изготавливаются из тонкой высококачественной углеродистой стальной ленты. Они применяются в качестве пружинных двигателей, аккумулирующих энергию при заводе. Благодаря высокой гибкости ленты пружина аккумулирует значительное количество энергии и позволяет осуществить угол поворота валика до нескольких десятков оборотов.

Торсион представляет собой цилиндрический стержень с законцовками 3 на торцах для его крепления (рис. 12.24, б). Обычно заделка осуществляется с помощью эвольвентного шлицевого соединения. Использование торсионов особенно целесообразно в случае соединения полых соосных деталей, когда конструкция позволяет использовать торсионы значительной длины. В этих случаях угол закручивания может достигать нескольких десятков градусов. Для снижения массы торсионы часто делаются полыми. Эффективно изготавливать торсионы из титановых сплавов, что не только снижает массу, но и благодаря меньшему модулю упругости, чем у стали, обеспечивает больший угол поворота.

Резиновые упругие элементы применяют в конструкциях упругих муфт, вибро- и шумоизолирующих опорах и других устройствах для получения больших перемещений. Такие элементы обычно передают нагрузку через металлические детали (пластины, трубки и т.п.) (рис.12.25).

25