Пружні елементи машин

Пружини. Ущільнення, мастильні матеріали та змащувальні пристрої. Класифікація. Матеріали та розрахунок

Призначення та конструкції пружин

Пружні елементи, або пружини, належать до розповсюджених деталей, що використовуються в різних машинах, механізмах та при­ладах. Вони виконують інколи дуже відповідальні та складні функції.

Пружні властивості пружин дають змогу використовувати їх у та­ких випадках:

а) для створення потрібних постійних зусиль (у натискних та натяжних пристроях передач тертям, муфтах, гальмах, клапанах);

б) для акумулювання механічної енергії попереднім деформуван­ням пружин (пружинні двигуни приладів часу та інші пристрої);

в) для віброізоляції та амортизації ударів за рахунок пруж­них характеристик відповідним чином підібраних пружин (у транс­портних засобах, опорних пристроях чутливих елементів приладів та ін.);

г) для вимірювання сил, що здійснюється фіксацією пружних де­формацій пружин (динамометри та інші вимірювальні прилади).

Усі пружини за видом навантаження поділяють на пружини роз­тягу, стиску, кручення та згину, а за формою та конструкцією — на гвинтові та іншої форми (табл. 18.1).

У_ загальному машинобудуванні найрозповсюдженішими є гвинто­ві пружини розтягу, стиску та кручення, виконані із дроту круглого або іншого перерізу. Гвинтова пружина розтягу виготовляється зі щільним навиванням витків, до того ж крайні витки плавно перехо­дять у спеціальні вушка, які зручні для закріплювання пружини.

Гвинтові пружини стиску бувають циліндричної та конічної фор­ми. Конічна форма забезпечує пружині змінну жорсткість при дефор­муванні. В таких пружинах стиску робочі витки не дотикаються між собою, а лише крайні витки виконуються зі щільною навивкою для надання пружині плоских опорних торців. Гвинтові пружини стиску найчастіше виготовляють із дроту круглого перерізу, а при великих стискаючих силах застосовують пружини з квадратним або прямокут­ним перерізом витків. З метою підвищення податливості в умовах об­межених габаритних розмірів використовують багатожильні гвинто­ві пружини стиску.

До інших пружин стиску належать кільцеві та тарілчасті пружини. Кільцеві пружини складаються з набору кілець спеціального профілю. При навантаженні крайніх кілець в осьовому напрямі зовнішні кіль­ця насуваються на внутрішні, через що перші розтягуються, а другі стискаються. При цьому загальна висота пружини зменшується. Піс­ля зняття зовнішнього навантаження кільцева пружина відновлює свою висоту. Через значне тертя між конічними поверхнями зовніш­ніх та внутрішніх кілець відбувається розсіювання енергії при деформуванні пружини, тобто кільцеві пружини мають високу здатність амортизувати поштовхи та удари. Тому їх використовують у важко-навантажених буферних пристроях.

Тарілчасті пружини складаються з набору конусних дисків (тарілок). При осьовому навантаженні за рахунок деформації кожної та­рілки відбувається зменшення висоти пружини. Тарілчасті пружини застосовують для великих навантажень при відносно малих габарит­них розмірах, наприклад як буфери у різних амортизаторів. Стандарт­ні тарілчасті пружини бувають із зовнішнім діаметром 28—300 мм і максимальним робочим навантаженням 52 • 10⁴ кН. Деформація одно­го конусного диску під навантаженням не повинна перебільшувати 0,8 його висоти.

Гвинтові пружини кручення виготовляють із зазором між витками з дроту круглого перерізу. Кінцевим виткам надають відповідну форму, щоб забезпечити можливість навантаження пружини крутним моментом.

Крім гвинтових пружин кручення застосовують плоскі спіральні та стержневі пружини. Плоска спіральна пружина виготовляється з плоскої сталевої стрічки, що закручується у спіраль, один кінець якої закріплюють нерухомо, а інший з'єднують із валиком. Спіральні пружини допускають великі кути закручування (до 8—10 обертів валика залежно від довжини пружини). їх застосовують в пружинних двигунах як акумулятори енергії (годинникові механізми та ін.).

Стержневі пружини (торсіони) виготовляють у вигляді суцільних або трубчастого перерізу пружних стержнів, навантажених крутним моментом. Вони застосовуються за потребою сприйняття великого на­вантаження з невеликими кутами закручування, наприклад, у підвіс­ках транспортних машин.

До пружин згину відносять плоскі прямі пружини та листові ресо­ри. Найчастіше плоскі прямі пружини мають форму плоских пластин прямокутного перерізу з одним жорстко закріпленим кінцем. Вони використовуються переважно в приладах, наприклад, у вигляді кон­тактних пружин реле та перемикачів, якщо потрібні нєеєликі зусилля та переміщення.

Листові ресори виготовляються у вигляді балок рівного опору при згині і набираються із сталевих смуг. Із метою зменшення напружень смугам надають зігнуту форму так, що у зібраному стані ресора зна­ходиться з попередньою деформацією, протилежною тій, яка спричи­няється силами, що діють на ресору під час її роботи в машині. При деформуванні ресори окремі смуги зміщуються одна відносно одної, що зумовлює тертя між смугами, яке сприяє поглинанню енергії при коливаннях. Ресори застосовують переважно у транспортних засобах, а також у деяких конструкціях ковальсько-пресового обладнання.

Пружини — це пружні елементи машин, які вимагають достатньо високої точності розрахунків та виготовлення. Крім розрахунків

на міцність, для пружин обов'язкові розрахунки на жорсткість. У деяких конструкціях розрахунки пружин на жорсткість є вирі­шальними.

Матеріали для виготовлення пружин

Матеріали пружин повинні мати високі пружні властивості, до­статню міцність та стійкість проти втомного руйнування, а при роботі в умовах підвищених температур також задовільну термостійкість. Крім цього, за умовами технології виготовлення пружин, у більшості випадків зберігається і вимога достатньої пластичності. При роботі в умовах дії агресивного середовища матеріал пружин повинен мати достатню корозійну стійкість.

Пружини, що використовують у машинобудуванні, виготовляють із таких сталей:

а) високовуглецевих та марганцевих марок 65, 70, 75, 65Г;

б) інструментально-пружинних У8А, У10А, У12А;

в) спеціальних ресорно-пружинних кремнієвих 55С2, 60С2, 70СЗхромомарганцевої 50ХГА, хромованадієвої 50ХФА, нікель-кремнієвої 60С2Н2А та ін.

Вуглецеві сталі відносно дешеві, відрізняються стабільністю своїх властивостей, але мають низькі показники міцності та прогартовування. Тому їх застосовують для пружин із розміром перерізу витків до 10—12 мм. Марганцеві та кремнієві сталі мають підвищені характе­ристики міцності, дещо краще прогартовування і тому можуть викори­стовуватись для більших за розмірами пружин із перерізом витків до 12—20 мм. Найвищі показники міцності, прогартовування та теп­лостійкості мають сталі, що леговані ванадієм та нікелем. Із цих ста­лей виготовляють відповідальні пружини довільних розмірів. Пружи­ни із деяких легованих сталей задовільно працюють при температурах до 400 °С (сталь 50ХФА використовується для виготовлення пружин клапанів газорозподілу у дизелях).

Заготовками для виготовлення пружин мають бути дріт, стрічка, прутки та смуга з розглянутих вище сталей. Для пружин широко ви­користовують високо вуглецевий сталевий пружинний дріт діаметром до 8 мм (ГССТ 9389—75), що піддається спеціальній термообробці в розплавленому свинці (патентування) та сильному наклепуванню з подальшим волочінням. Дріт випускають трьох основних класів: нормальної міцності III, підвищеної міцності II та високої міцності І. Механічні властивості сталевого пружинного дроту наведені у табл. 18.2.

Для виготовлення плоских пружин використовується сталева термооброблена пружинна стрічка, яка залежно від групи міцності та роз­мірів має границю міцності а_в = (1300... 1900) МПа. Листові ресори виготовляють із сортового прокату таких самих марок сталей.

Розрахунок гвинтових циліндричних пружин розтягу та стиску з витками круглого перерізу

Гвинтові циліндричні пружини розтягу та стиску мають такі основ­ні геометричні параметри (рис. 18.1, а, б):

d— діаметр витків (дроту) пружини;

D — середній діаметр пружини;

_D3 =D + d — зовнішній діаметр пружини;

С = D/d — індекс пружини;

Н — крок витків у ненавантаженій пружині (h — d — для пру­жини розтягу, рис. 18.1, а);

а — кут підйому витків tg а = h/(лD);

Н₀ — довжина (висота) ненавантаженої пружини;

_Hр — довжина робочої частини ненавантаженої пружини;

і — Н/к — кількість робочих витків;

L — довжина дроту для виготовлення пружини.

Податливість циліндричних пружин пропорційна їхньому індек­су С. Для збільшення податливості індекс С беруть якомога більшим; практичне застосування мають пружини з індексом С = 4...12. За­лежно від діаметра витків рекомендують такі значення індексу цилінд­ричних пружин:

а, мм 2,5 3—5 6—12
С 5—12 4—10 4—9

Збільшуючи індекс пружини певної жорсткості, можна зменшити довжину пружини через збільшення її діаметра, а зменшуючи індекс, можна зменшити діаметр через збільшення довжини пружини.

Для розрахунку на міц­ність розглянемо силові фактори, що діють у перерізі витка, навантаженого силою Р пружини (рис. 18.2).

  , Рис. 18.1. Гвинтові циліндричні пружини розтягу та стиску

За умовою рівноваги ниж­ньої частини пружини визначаємо, що у довільному перерізі витка діють крут-ний момент Т = 0,5РD) та поперечна сила Р, які спри­чинюють відповідно кручення та зріз витка. Нехтуючи кутом підйому витків α який для більшості пружин менший ніж 10—12, а також напруженнями зрізу від поперечної сили, на­пруження кручення витків визначають за виразом

(18.1)

Рис.18.2. Навантаження витків пру­жини стиску

де К — коефіцієнт, що враховує кривину витків;

— полярний момент опору перерізу витка.

Коефіцієнт К беруть залежно від індексу С пружини із співвідношення

(18.2)

Умову міцності витків пружини на основі ви­разу (18.1) записують у вигляді

(18.3)

Потрібний діаметр дроту пружини із умови (18.3) визначають за формулою

(18.4)

Якщо в умові (18.3) врахувати, щоD/d = С, то формулу для визна­чення діаметра дроту пружини можна записати у вигляді

(18.5)

Добуте значення й округлюють до значення у стандартному ряду діаметрів дроту для виготовлення пружин.Діаметр дроту пружини дає змогу визначити середній та зовнішнійдіаметри пружини.Осьову пружну деформацію пружини (розтяг або стиск) під дією навантаження Р можна дістати як добуток кута закручування витків 6 пружини та середнього радіуса пружини 0.5D:

де і — кількість.робочих витків пружини;G — модуль пружності при зсуві матеріалу пружини (для сталі 0 = 8- 10^і МПа); —

полярний момент інерції перерізу витка пружини.

Виражаючи l_р через d та враховуючи, що D/d = С, вираз для осьо­вої пружної деформації пружини

можна записати у вигляді (18.6)

Відношення навантаження Р до осьової пружної деформації G, пру­жини називається жорсткістю к пружини. Із виразу (18.6)

(18.7)

Вираз (18.6) дає змогу визначити потрібну кількість робочих вит­ків пружини, якщо відоме значення

(18.8)

. Ущільнення

Для забезпечення нормальної роботи машин, приладів та апаратури часто виникає потреба запобігати витоку робочої рідини, газу і захистити їх від навколишнього середовища. З цією метою застосовують ущільнення та ущільнюючі пристрої, які можна поділити на ущільнення для нерухомих деталей (з'єднань) та пристрої для ущільнення рухомих деталей.

Рис. 11.1. Способи ущільнення фланцевих з'єднань: а - плоскою прокладкою; б - лінзовою прокладкою; в - кільцем

Рис. 11.2. Контактні ущільнення

До з'єднань, які потребують ущільнення, відносяться болтові з'єднання корпусів різноманітних апаратів високого та низького тиску, кришок редукторів, двигунів тощо. їх ущільнення досягається стиском прокладок, кілець та інших ущільнюючих елементів (рис. 11.1) затягуванням болтів. Прокладки і кільця можуть мати різний поперечний переріз та форму. їх виготовляють з листових матеріалів (картону, пароніту, гуми, алюміния, міді, сталі тощо). Матеріал для ущільнення приймають залежно від напруження стиску, яке виключає витік. В деяких випадках, наприклад при монтажі підшипників, прокладки також виконують регулюючу роль. Для підвищення герметичності інколи прокладку (стик) перед постановкою змащують фарбою, герметизуючою пастою чи мастикою.

Рис. 11.3. Безконтактні ущільнення

Ущільнення рухомих деталей. На практиці частіше всього виникає необхідність ущільнення валів, які обертаються і виступають з корпусів. У вузлах, де робоча рідина чи мастило не знаходиться під тиском, а колова швидкість вала не перевищує 5...7 м/с, застосовують контактні ущільнення у вигляді манжет (рис. 11.2,а,б). Манжета складається із корпуса 1, виготовленого із бензиностійкої гуми, стального каркаса Г-подібного перерізу 2 і пружини, яка стягує ущільнюючу частину манжети. При роботі в засміченому середовищі використовують манжету з додатковою робочою кромкою (рис. 11.2,6).

Отримали розповсюдження ущільнення торцевих поверхонь (рис. 11.2,в). Ущільнення включає кільце 1 із антифрикційного матеріалу АМС-1, ущільнююче кільце 2 із загартованої сталі марок 40Х або ШХ15, пружини 3 і додаткове статичне ущільнення 4 у вигляді гумового кільця круглого перерізу. Для ущільнення вихідних кінців валів, які обертаються із коловою швидкістю до 6 м/с, застосовують пружні стальні шайби (рис. 11.2,г) товщиною 0,3...0,5 мм.

Безконтактні пристрої застосовують для ущільнення деталей, які обертаються з великими швидкостями. Найпростішим ущільненням такого типу є щільове (рис. 11.3,а). Зазор між кришкою і валом заповнюють пластичним мастилом, яке захищає підшипник від попадання вологи і пилу. Отримали розповсюдження також лабіринті ущільнення (рис. 11.3,6), у яких ефект ущільнення досягається за рахунок довгої щілини, яка утворена рядами радіальних і осьових зазорів. Використовують в конструкціях також і інші типи ущільнень, принципи роботи яких базуються на використанні відцентрових сил, а також комбіновані ущільнення (рис. 11.3,в,г).

11.2. Мастильні матеріали та пристрої

Мащення деталей машин, що труться (зубчастих коліс, підшипників тощо), проводять переважно рідкими мінеральними або синтетичними маслами, пла­стичними (консистентними) та твердими мастилами.

Як рідкі використовують мінеральні масла (індустріальне, турбінне, транс­форматорне, циліндрове тощо), які зберігають свої властивості до температури 120 °С при довгостроковій роботі. Кальцієві мастила солідоли застосовують при довгостроковій роботі де­талей до температури 60⁰С. Натрієві мастила консталіни більш тугоплавкі, їх можна використовувати при темпетурі 1ОO…12О^о. Літієві мастила можуть працювати при температурах від 60 до 150…200⁰C

Тверді мастила (колоїдальний графіт, дисульфітні, молібденіті та фтористі з'єднання тощо) використовують для деталей, які працюють у вакуумі, в умовах дуже низьких (нижче 400⁰С) або дуже високих (вище ЗОО °С) температур, при роботі в агресивних середовищах.

Залежно від умов роботи застосовують різні способи подачі мастильних матеріалів до деталей та вузлів.

Разове або періодичне закладання або мащення застосовують для шарнірів, ланцюгів передач, підшипників ковзання з низькою частотою обертання, підшипників кочення з коловими швидкостями обертання вала не більше 10..,15 м/с тощо. Пластичне мастило закладають у корпуса підшипників (в об'ємі 1/3... 1/2 вільного простору), мастять при складанні або подають періодично через індивідуальні мастильні пристрої (ковпачкову маслянку, прес-маслянку під шприц (рис. 11.4,а) тощо).

Занурюванням у масляну ванну змащують зубчасті колеса редукторів, коробок передач, закритих високошвидкісних ланцюгових передач, а також не швидкісних шарикопідшипників. Для зменшення втрат на перемішування і розбризкування масла тихохідні зубчасті колеса занурюють на величину не більше 1/6 радіуса, а швидкісні - на одну або дві висоти зуба.

Масло в корпус підшипника (при горизонтально розташованій осі вала) заливають до рівня, який відповідає положенню центра нижнього тіла кочення.

Подачу мастила фітілями чи дозуючими маслянками (рис. 11.4,6-г) проводять в основному для мащення швидкісних малогабаритних підшипників, ланцюгових передач.

Рис 11.4. Пристрої для мащення: а - прес-маслянка; б - маслянка із кулькою; в - маслянка із кришкою; г - маслянка фітільна

Черв'ячні передачі (при нижньому розташуванні черв'яка), підшипники редукторів, коробок передач змащують розбризкуванням масла із загальної масляної ванни. Розбризкування і «масляний туман» створюються зубчастими колесами, масло розбризкуючими кільцями, які занурені в масло.

Мащення підшипників ковзання в режимі роботи рідинного тертя, підшипників кочення потужних високошвидкісних редукторів, центрифуг, зубчастих коліс при коловій швидкості більше 15 м/с проводять примусово циркуляційною подачею масла. При цьому масло за допомогою насоса доставляється по маслопроводам до деталей і розбризкується струмуневими форсунками, крапельно тощо.

ЛІТЕРАТУРА

1. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительньїх и механических специальностей вузов.- 4-е изд., перераб. и доп.- М- Машино-строение, 1989.-496 с.

2. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов вьісш. техн. учеб. заведе­ний.- 5-е изд., перераб.- М.: Вьісш. пік., 1991.- 383 с.

3. Заблонский К.И. Детали машин.- К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-518 с.

4. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика: Учеб. для вузов/ Под ред. Г.Б.Иосилевича. - М: Вьісш. шк., 1989. - 351 с.

5. Эрдеди А.А., Эрдеди Н.А. Техническая механика. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец, техникумов. - М.: Вьісш. шк., 1992. - 272 с.

6. Прикладная механика: Учеб. пособие для вузов/ Руков. авт. кол. проф. К.И.Заблонский. - 2-е изд., перераб. и доп.- К.,: Высшая шк. Головное изд-во, 1984.-280 с.

Лекція 9

Дата добавления: 2014-01-04