4.4. Упругие элементы

4.4.1. Общие сведения

Упругие элементы в конструкциях предназначены и применяются в качестве виброизолирующих, амортизирующих, аккумулирующих, натяжных, динамометрических, уплотняющих и других устройств.

К упругим элементам относятся пружины, металлические (сильфоны, мембраны и т.п.) и резиновые детали. Они работают на принципе аккумулирования энергии с последующей ее отдачей. Требования, предъявляемые к упругим элементам, зависят от их назначения, условий работы и точности механизмов. Упругие элементы должны обладать стабильностью упругих характеристик, достаточной прочностью и выносливостью, а в ряде случаев электропроводностью и устойчивостью к агрессивным средам. Показателями основных свойств упругих элементов являются: упругая характеристика, коэффициент жесткости. Коэффициент чувствительности, упругое последствие и упругий гистерезис.

Упругой характеристикой (рис. 4.22) называют зависимость деформации λ упругого элемента от силы F, вызывающей эту деформацию, т.е. λ = f (F).

Наиболее часто эта зависимость представляется в графической форме. Упругая характеристика пружин может быть линейной и нелинейной (затухающей или возрастающей).

Коэффициентом жесткости К называют предел приращения нагрузки ΔF к приращению деформации Δλ стремящейся к нулю,

К = . (4.29)

Для линейной характеристики К = F/ λ.

Рис. 4.22 Рис. 4.23

Коэффициентом чувствительности называют величину, обратную коэффициенту жесткости, т.е.

δ = 1/ К = dλ/dF. (4.30)

Упругое последствие (рис. 4.23) выражает изменение (увеличение) деформации при стабилизированной нагрузке. Упругий гистерезис проявляется в несовпадении характеристик при нагружении и разгрузке.

4.4.2. Пружины

Пружины выполняют следующие функции: аккумулирование энергии с последующим использованием пружины как двигателя (часовые пружины, в механизмах раскрытия антенн спутников и т.п.); создание постоянной силы нажатия и натяжения между деталями (фрикционные передачи, муфты, тормоза, клапаны, кулачковые механизмы и т.п.); возвращение деталей в исходное положение (храповые механизмы, клапаны, автоматическое оружие и т.п.); виброизоляции и амортизации ударов (амортизаторы, рессоры, буферы и т.п.); измерительные (динамометры, манометры, силомеры, электроприборы и др.); контактные (реле, переключатели и т.п.).

По виду воспринимаемой нагрузки (деформации) различают пружины растяжения, сжатия, кручения и изгиба. По конструкции и форме пружины (рис. 4.24) разделяют на витые (винтовые) цилиндрические, конические, фасонные, тарельчатые, плоские, плоские спиральные, трубчатые (манометрические). Упругие детали, составленные из листов одной ширины, но разной длины называют рессорами (рис. 4.24). Винтовые пружины изготовляют в основном из проволоки круглого сечения, а иногда при больших нагрузках, из полосы квадратного или прямоугольного сечения. Выбор металла для пружины определяется ее назначением и условиями эксплуатации. Чаще всего пружины изготовляют из высокоуглеродистых сталей 65, 70.75; марганцовистых сталей 65Г, 55ГС; кремнистых сталей 60С2А, 70С3А; хромованадиевой стали 50ХФА и др. Пружины, работающие в химически активной среде, изготовляют из цветных сплавов типа БрКМЦ3, БрОЦ4 и др.

Наибольшее распространение получили винтовые цилиндрические пружины растяжения, сжатия и кручения из проволоки круглого сечения, изготовленные путем навивания на оправке.

Рис.4.24

Пружины растяжения (рис. 4.24 а) навивают без просветов между витками и даже с предварительным натяжением (давлением) между витками с усилием (0,25…0,3) F_пр; F_пр – предельная нагрузка на пружину. Внешняя нагрузка воспринимается через зацепы – отогнутые последние витки пружины.

Пружины сжатия (рис. 4.24 б) навивают с просветом между витками такой величины, чтобы он не закрывался полностью при наибольшей для данной пружины внешней нагрузке. Концевые витки изготавливают без зазора и для создания опор пришлифовывают по плоскости, перпендикулярной к оси. Пружины растяжения и сжатия имеют линейную упругую характеристику λ(F) с предварительным растяжением или сжатием λ_пр.

Пружины кручения навивают обычно с малым углом подъема и наибольшими зазорами между витками (0,5…1 мм) и снабжаются соответствующими зацепами; применяют в качестве силовых упругих элементов для создания противодействующих крутящих моментов.

Тарельчатые пружины (рис. 4.24 в) составляют из отдельных штампованных конических оболочек, имеющих вид обычных тарелок без дна. Пружины обладают большой жесткостью и применяются для амортизации при больших нагрузках и относительно малых габаритных размерах.

Плоские пружины (рис. 4.24 г) изготовляют из пружинных лент. Они просты в изготовлении, имеют малые габариты, но их допускаемые перемещения относительно малы; работают на изгиб; применяют как контактные пружины в различных электрических и электромеханических устройствах.

Плоские спиральные пружины (рис. 4.24 е) используются для аккумулирования энергии, выборки люфтов в приборах и в качестве токопроводов; работают на изгиб.

Манометрические трубчатые пружины являются чувствительными элементами приборов, предназначенных для измерения давления, вакуума, уровня и расхода жидких и газообразных веществ.

Листовые рессоры (рис. 4.24 д) применяют для упругой подвески автомобилей, вагонов и других транспортных средств. Распространены пружины, в которых вместо проволоки используется трос, свитый из двух-шести проволок малого диаметра (0,8…2,0 мм) – многожильные пружины. Их применяют в амортизаторах при больших нагрузках. В конструкциях, требующих в условиях вибрации и ударных нагрузок. Иногда применяют фасонные пружины с нелинейной характеристикой.