Цилиндрические витые пружины 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. 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.

Пружины характеризуются следующими основными геометрическими параметрами (рис. 20.3):

· диаметром проволоки d или разме­рами сечения витков;

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

· индексом пружин c = D/d;

· шагом витков h;

· углом подъема витков : ;

· диной рабочей части

· числом рабочих витков .

 

 

Расчет диаметра проволоки ведут из условия прочности по следующей формуле:

(20.1)

где: рабочее усилие; - коэффициент, учитывающий кривизну витков и форму сечения: при допускаемое касательное напряжение: для пружин из сталей 60С2, 60С2Н2А и 50ХФА принимают 400- 750 МПа (большие значения при действии статических нагрузок, меньшие – для ответственных динамически нагруженных пружин), для неответственных пружин [26].

Необходимое число рабочих витков определяют по заданному ходу (упругому перемещению) пружины

(20.2)

где: осевая податливость одного витка; модуль сдвига; предварительное усилие (предварительная затяжка): в зависимости от назначения пружины

Число витков округляют до полувитка при и до одного витка при

Полное число витков

(20.3)

Дополнительные 1,5 -2 витка идут на поджатие для создания опорных поверхностей у пружины.

Полная длина ненагруженной пружины

(20.4)

где длина пружины, сжатой до соприкосновения соседних рабочих витков.

Максимальная осадка пружины, т.е. перемещение торца пружины до полного соприкосновения витков определяется по формуле

 

(20.5)

Шаг пружины приблизительно можно определить из следующего соотношения:

(20.6)

Необходимая для изготовления пружины длина проволоки

(20.7)

Максимальное касательное напряжение для пружин с углом подъема витка

(20.8)

где осевая сила.

Пружины, работающие с большим числом циклов нагружения (например, клапанные в двигателях внутреннего сгорания), нужно проверять на сопротивление усталости. Расчет ведется в форме определения запаса прочности [10]:

(20.9)

где - амплитуда изменения напряжений; среднее напряжение цикла; - предел прочности материала при сдвиге.

Запас прочности пружин выбирается равным 1,5 – 2,4 в зави­симости от ответственности пружины, материала.

Тарельчатые пружины

Тарельчатая пружина - это пологая коническая оболочка с отверстием (рис. 20.4), позволяет про­ектировать узлы с различными упругими свойствами

 

Варьируя отношение стрелы прогиба к толщине металла s, можно получать различные нагрузочные характеристики. Кроме того, их можно изменить за счет различного расположения пружин в пакете, а также комбинируя пакеты различных пружин. Таким обра­зом, используя тарельчатые пружины, можно создавать компактные и удобные конструкции, удовлетворяющие различным функциональ­ным требованиям.

По виду нагружения пружины подразделяются на два класса, а по исполнению их разделяют на 4 типа:

· пружины с наклон­ными кромками

· пружины с наклонными кромками и опорными поверхностями при толщине пружин более 3 мм

· пружины с параллельными кромками

· пружины с параллельными кромками и опорными плоскостями

По точности контролируемых сил или деформаций пружины под­разделяются на группы:

1) с пре­дельными отклонениями сил или деформаций ±5%;

2) с предельны­ми отклонениями сил или деформаций ±10%;

3) с пре­дельными отклонениями сил или деформаций ±20%.

Для повышения статической прочности и главным образом для получения стабильной нагрузочной характеристики пружины под­вергают заневоливанию, т. е. сжатию до полного сплющивания и выдерживанию в таком состоянии в течение 12 ч. Критерий отказа пружины - разрушение. Критерий предельно­го состояния - возникновение остаточной деформации более 10%.

20.1.3. Пружины кручения

Витые цилиндрические пружины круче­ния по своей конструкции аналогичны витым пружинам растяжения и сжатия. Во избежание трения при нагружении их навивают с небольшим просветом между витками (порядка 0,5 мм). Они имеют особые прицепы для передачи пру­жине закручивающего момента (рис. 20.5). Пружины обычно устанавливают на оправ­ках.

При нагружении пружины в каждом ее сечении действует момент М, равный внешнему моменту, закручивающему пру­жину. Вектор этого момента направлен вдоль оси пружины (рис. 20.5,6). Этот момент раскладывается на момент, изги­бающий виток, и крутящий момент Т = М sin .

В связи с тем, что в пружинах кручения так же, как и в пружинах растяжения и сжатия, угол подъема витков обычно <12 -15°, допустимо вести расчет витков только на изгиб моментом и пренебречь кручением [25]. Наибольшее на­пряжение изгиба витков, имеющее место на внутренней поверхности (20.10)

где — коэффициент, учитывающий кри­визну витков круглого сечения; —момент сопротив­ления сечения витка на изгиб.

Допускаемое напряжение при изгибе для пружин выбирают порядка 1,25 .

Диаметр проволоки для пружин с круг­лым сечением витков

. (20.11)

Угол закручивания пружины (рад) может быть определен как угол взаимного упругого наклона концевых сечений бруса длиной L, равной суммарной длине витков пружины, под действием чистого изгиба моментом М: (20.12)

где — осевой момент инерции сечения витка пружины; Е — модуль упругости материала пружины.

Потребное число витков определяют из условия, что при возрастании момента от установочного до максимального рабочего пружина должна получить заданный угол закручивания и тогда (20.13)