Фасонные пружины

4.

3.

2.

1.

ПРУЖИНЫ И РЕССОРЫ

Лекция 21

Муфты свободного хода

Муфты центробежные

Эти муфты автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение. Таким образом, эти муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Центробежные муфты используют для автоматического включения и выключения исполнительного механизма с помощью регулировки угловой скорости двигателя; разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом; повышения плавности пуска; выключения при перегрузках.

Эти муфты передают крутящий момент только в одном заданном направлении. Их применяют в станках, автомобилях, мотоциклах, велосипедах и т.д. В велосипедах, например, они передают крутящий момент от педалей на колесо и в то же время позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях.

Простейшим представителем муфт свободного хода является устройство с храповиком. Вследствие шума на холостом ходу и резкого ударного включения муфты с храповиком применяют сравнительно мало и только при низких скоростях.

Бесшумную работу обеспечивают фрикционные роликовые или шариковые муфты.

1. Основные понятия и классификация

2. Материалы пружин

3. Конструирование и расчет цилиндрических витых пружин растяжения и сжатия

4. Фасонные, многожильные и тарельчатые пружины

5. Пружины кручения

«Основные понятия и классификация»

Упругие элементы – пружины и рессоры – широко распространены в машиностроении. Их применяют:

1. для создания заданных постоянных сил - начального сжатия
или натяжения в передачах трением, фрикционных муфтах, тормозах,
предохранительных устройствах, подшипниках; а также для уравновешивания
сил тяжести и других сил;

2. для силового замыкания кинематических пар, в основном в
кулачковых, чтобы исключить влияние зазоров на точность перемещений или
упростить конструкции;

3. для выполнения функций двигателя на основе предварительного
аккумулирования энергии путем завода, например часовые пружины;

4. для виброизоляции в транспортных машинах - автомобилях, вагонах,
в приборах, в виброизоляционных опорах машин и т. д.; механизм
виброизоляции удобно наблюдать, например, при езде автомобиля; колеса
автомобиля, следуя за рельефом дороги, совершают резкие колебания, которые
почти не передаются кузову автомобиля;

5. для восприятия энергии удара - буферные пружины, применяемые в
подвижном железнодорожном составе, артиллерийских орудиях и т.д.;
благодаря упругим элементам энергия удара поглощается на больших
перемещениях и сила удара соответственно уменьшается; буферные и
виброизоляционные пружины в отличие от предыдущих аккумулируют не
полезную, а вредную для работы машины энергию;

6. для измерения сил, температур, перемещений, осуществляемого по
упругим деформациям пружин (в измерительных приборах).

Работа упругих элементов в машинах заключается в накоплении энергии и ее последующей отдаче или в осуществлении требуемого постоянного нажатия. Для возможности накопления большого количества энергии на единицу массы целесообразно применять элементы с возможно более равномерным напряженным состоянием. При этом упругие элементы имеют минимальные габариты.

Классификация

В широком диапазоне нагрузок указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют витые цилиндрические пружины растяжения и сжатия. В этих пружинах витки подвергаются напряжению кру­чения под действием постоянного момента. Цилиндрическая форма пружины удобна для ее размещения в машинах. В пружинах, работающих на изгиб, трудно создать равномерное напряженное состояние по длине.

Чем тоньше проволока, тем податливее могут быть витые пружины. При необходимости повышенной податливости в условиях стесненных габаритов применяют многожильные витые пружины.

Для больших нагрузок при малых упругих перемещениях и стесненных габаритах по оси приложения нагрузки применяют тарельчатые пружины.

Для больших нагрузок при необходимости рассеяния большого количества энергии (амортизаторы) примеряют кольцевые пружины, в которых кольца при нагружении вдвигаются одно в другое, причем наружные кольца растягиваются, а внутренние сжимаются.

При стесненных по оси габаритах и не стесненных габаритах в боковом направлении применяют упругие элементы, работающие на изгиб, - рессоры.

Пружины кручения в обычных условиях применяют в виде витых цилиндрических пружин, а при стесненных габаритах по оси и преимущественно при небольших крутящих моментах - в виде плоских спиральных пружин.

При не стесненных по оси габаритах, значительных крутящих моментах, необходимости восприятия некоторых изгибающих моментов и при небольшой требуемой податливости применяют торсионные валы.

«Материалы пружин»

Материалы для пружин должны иметь высокие и стабильные во времени упругие свойства. Делать пружины из материалов низкой прочности нецелесообразно. Масса геометрически подобных пружин при заданной нагрузке и упругом перемещении обратно пропорциональна квадрату допу­скаемого напряжения. Это связано с тем, что пружины из менее прочных материалов в целях сохранения заданной жесткости приходится делать повышенных диаметров и, следовательно, витки их нагружены большими моментами, чем у пружин из более прочных материалов. Эффективность применения высокопрочных материалов для пружин связана также с меньшей концентрацией напряжений в пружинах, чем в других деталях, и с меньшими размерами сечений витков. Соотношение размеров витых пружин из разных материалов показано на рис. 1.

0,67В

Сталь 65Г Сталь 60С2 Сталь 50ХФА

(марганец) (кремний) (хром)

Рис. 1

Основными материалами для пружин являются высокоуглеродистые стали, стали легированные кремнием, марганцем, хромом, ванадием, никелем. Углеродистые и кремнистые стали обладают невысокой прокаливаемостью и поэтому применяются для пружин малых сечений. Марганцовистые стали обладают лучшей прокаливаемостью, но чувствительны к перегреву при закалке. Хромомарганцевые, хромованадиевые и хромокремнемарганцевые стали обладают высокой прочностью при действии переменных напряжении и применяются для пружин ответственного назначения. Для работы в химически активной среде применяют пружины из цветных сплавов, бериллиевых бронз, кремнемарганцевых бронз. Бериллиевые бронзы относятся к самым совершенным универсальным материалам для упругих элементов.

Заготовками для пружин служат проволока, а также лента и полосовая сталь.

Пружины из проволоки диаметром до 8... 10 мм изготовляют холодной навивкой преимущественно из проволоки, прошедшей термообработку, и после навивки подвергают только отпуску. Пружины больших сечений подвергают навивке в горячем состоянии, потом закаливают.

Проволоку выпускают диаметром до 8 мм трех основных классов:

- нормальной прочности III,

- повышенной прочности II

- высокой прочности I.

«Конструирование и расчет цилиндрических

витых пружин растяжения и сжатия»

Основное применение в машиностроении имеют пружины из круглой проволоки благодаря их наименьшей стоимости и в связи с тем, что витки круглого сечения лучше других работают на кручение. Ниже расчет излагается в применении к этим пружинам.

Пружины с витками квадратного и прямоугольного сечения применяют при больших нагрузках, так как они позволяют лучше использовать габариты, а также в случаях, когда из-за трудности навивки пружины вырезают из трубы. Их используют в качестве пружин сжатия.

D

Н

Н_р

h

d

F F

α

М_и

М Т

Рис. 2

Пружины характеризуются следующими основными геометрическими параметрами (рис. 2):

1. диаметром проволоки d или размерами сечения витков;

2. средним диаметром пружины D, а также наружным диаметром D+d и внутренним диаметром D-d;

3. индексом пружин с = D/d;

4. шагом витков h;

5. углом подъема витков α: tg α = h/πD;

6. длиной рабочей части пружины Н_р;

7. числом рабочих витков i = Н_р/h.

Эти параметры взаимосвязаны, но только четыре из них можно, рассматривать как основные. Шаг витков, угол подъема витков и длину рабочей части пружины рассматривают отдельно в ненагруженном и нагруженном состояниях.

Чем податливее должна быть пружина, тем большим берется индекс пружины с и число витков. Обычно индекс пружины выбирают в зависимости от диаметра-тфоволоки в следующих пределах:

d = до 2,5 c = 5…12

d = 3…5 c = 4…10

d = 6…12 c = 4…9

Увеличивая индекс пружины, можно при той же жесткости сократить габариты пружины по длине за счет увеличения диаметра, и, наоборот, уменьшив индекс пружины, можно уменьшить диаметр пружины за счет увеличения длины.

Рис. 3

Пружины диаметром до 3 мм обычно выполняют с прицепами в виде изогнутых витков (рис. 3, а, б). В местах отгиба возникает концентрация напряжений, которая снижает несущую способность пружин.

Поэтому для ответственных сильно напряженных пружин применяют прицепы с коническим переходом (рис. 3, б), и крепления с помощью пластин (рис. 3, в). Наиболее совершенным является крепление с помощью ввертываемых винтовых пробок с крючками (рис. 3, г). Это крепление применяют для пружин с диаметром проволоки от 5 мм.

Винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения охватывают пружины для нагрузок 1...105 Н, с диаметрами проволоки 0,2...50 мм и наружными диаметрами 1...700 мм, с индексами пружины 4... 12.

Пружины делятся на классы:

1-й - для больших чисел циклов нагружений,

2-й - для средних

3-й - для малых.

По точности пружины делятся на группы:

1-я группа - с допускаемыми отклонениями по силам и упругим перемещениям ±5%,

2-я группа - ±10%,

3-я группа - ±20 %.

Стандарты облегчают централизованное изготовление пружин, что имеет большое значение, так как себестоимость пружин, изготовленных на неспециализированных участках, в 2,5...12 раз выше, чем на специализированных.

Силовые факторы, действующие в любом поперечном сечении пружин растяжения и сжатия, сводятся к моменту М = FD/2, вектор которого перпендикулярен оси пружины и силе F, действующей вдоль оси пружины (рис. 2).

Момент М раскладывается на крутящий Т и изгибающий М_и моменты, Нмм:

и

В большинстве пружин угол подъема витков α < 10...12°. Расчет этих пружин можно вести только на кручение по моменту Т = FD/2, пренебрегая другими силовыми факторами ввиду их малости.

Диаметр проволоки при проектном расчете пружины:

Осевое упругое сжатие пружины определяют как суммарный угол закручивания витков пружины в θ [тета], умноженный на средний радиус пружины D /2:

,

где - податливость одного витка, т.е. сжатие витка от единичной силы,

G - модуль сдвига.

Длина пружины растяжения в ненагруженном состоянии:

Н₀ = id + 2h_пр,

где h_пр = (0,5…1) D - высота одного прицепа.

Длина пружины при максимальной рабочей нагрузке:

Н = Н₀ + λ₁i (F_max – F₀)

где F₀ - сила начального сжатия витков при навивке.

Длина проволоки для изготовления пружин:

где l_пр - длина проволоки для одного прицепа.

Предельная нагрузка для пружин:

F_пр = (1,05...1,2)F_mах

Для пружины сжатия к расчетному числу витков прибавляют по 0,75...1 витку для каждого конца, т.е. i₀ = i + (1,5…2).

Длина пружины сжатия при соприкосновении витков с учетом сошлифовки каждого конца пружины на 0,75 d

Н = (i₀ – 0,5)d

Шаг пружины сжатия в ненагруженном состоянии:

где λ _max - упругое сжатие пружины под действием силы F _max,

1,1…1,2 - коэффициент, предопределяющий некоторый зазор между витками пружины при F _max во избежание частичного прилегания витков и потери линейности характеристики пружины.

Длина пружины в ненагруженном состоянии:

Н₀ = Н + i (h - d)

Пружины сжатия, у которых Н₀/D > 3, во избежание выпучивания, ставят на оправках или в стаканах.

«Фасонные, многожильные и тарельчатые пружины»

применяют главным образом при необходимости получения нелинейной характеристики, т. е. нелинейной зависимости между силой и упругим перемещением пружины. Нелинейная характеристика пружин (возрастание жесткости пружины с нагрузкой) уменьшает опасность резонансных колебании Пружины с нелинейной характеристикой можно спроектировать на большую энергию удара, чем пружины с линейной характеристикой тех же габаритных размеров и т. д.

а) б)

Рис. 4

К фасонным пружинам относят:

а) конические (рис. 4, а) и параболоидные пружины;

б) телескопические буферные пружины для больших нагрузок,
выполняемые из полосовой стали (рис. 4, б).

Фасонные пружины выполняют обычно в виде пружин сжатия. Витки фасонных пружин в связи с разным радиусом имеют различную жесткость. Нелинейная характеристика фасонных пружин связана с тем, что при возрастании нагрузки происходит постепенная посадка витков большого радиуса одного на другой или на опорную поверхность. Таким образом, часть витков перестает деформироваться и пружина становится более жесткой.

Дата добавления: 2015-06-04