26. Конструктивні виконання, схеми технічного розрахунку циліндричних гвинтових пружин розтягу і стиску

Призначення, конструкція і матеріали

П ружини завдяки своїм пружним властивостям набули широкого застосування в різних машинах і приладах. Вони призначені для створення постійної сили натискання і натягу між деталями машин або приладу (у фрикційних передачах, муфтах, гальмах і т.п.); віброізоляції й амортизації ударів (амортизатори, буфери, ресори і т.п.); акумулювання енергії з наступним використанням пружини як двигуна (годинникові та інші пружини); виміру сил (у динамометрах і інших вимірювальних приладах).

За конструкцією розрізняють пружини: гвинтові – циліндричні одножильні, багатожильні і складені, конічні і фасонні; тарілчасті; плоскі спіральні; листові ресори. Гвинтові пружини виготовляють із дроту в більшості випадків круглого, а іноді прямокутного перетину. Матеріал дроту для пружин - сталі (ДЕСТ 14959-69); високовуглеві 65, 70, 75, марганцовисті 65М, 55ГС, кременисті 55С2, 60С2, 60С2А, 70СЗА, хромомарганцовиста 50ХГ, хромованадієва 50ХФА, кремневольфрамиста 65С2ВА і кремнійнікелева 60С2Н2А. Для пружин, що працюють у хімічно активному середовищі, застосовують дріт із бронз БрКМц3-1, БрОЦ4-3 і ін.

Г винтові циліндричні одножильні пружини (рисунок 26.1) широко застосовують у загальному машинобудуванні, тому що вони прості за конструкцією і зручні при установці їх на робоче місце. Частіше інших застосовують пружини з дроту круглого перетину, тому що навантаження і деформації в них розподіляються більш рівномірно і вартість їх у порівнянні з іншими пружинами найменша. Пружини з дроту квадратного чи прямокутного перетину застосовують лише при великих стискаючих навантаженнях.

Призначення гвинтових циліндричних пружин різне. Гвинтові багатожильні (рисунок 26.2, а) і складені (концентричні) пружини (рисунок 26.2, б) застосовують при великих навантаженнях з метою зменшення габаритних розмірів, а гвинтові конічні (рисунок 26.2, в) і фасонні при необхідності мати перемінну жорсткість. Тарілчасті пружини (рисунок 26.2, г) складають з конусних дисків (тарілок). Застосовують при великих навантаженнях і при малих габаритних розмірах, наприклад як буфери в різних амортизаторах. Тарілчасті пружини нормалізовані ДЕСТ 3057-79 матеріал пружин - кремениста сталь 60С2А. Плоскі спіральні пружини (рисунок 26.2, д) виготовляють з тонкої високоякісний вуглецевої сталевої стрічки. Застосовують у якості заводних для акумулювання енергії заводу, що використовується в годинникових механізмах, автоматичній зброї і т.д. Листові ресори (рисунок 26.2, е) для підвищення демпфуючої здатності складають зі сталевих листів різної довжини. Застосовують для пружної підвіски автомобілів, залізничних вагонів і інших транспортних засобів. Ресори виготовляють із кременистої сталі 60С2 і 60С2А.

Тому що в загальному машинобудуванні найбільш поширені гвинтові циліндричні пружини з дроту круглого перетину, то докладно розглянемо тільки ці пружини. У залежності від виду сприйманого навантаження розрізняють гвинтові циліндричні пружини стиску (див. рисунок 26.1, а), розтягання (див. рисунок 26.1, б) і крутіння (див. рисунок 26.1, в). Пружини стиску навивають із просвітом між витками (див. рисунок 26.1, а). Для поліпшення роботи крайні витки пружини підгортають до сусідніх витків і зішліфовують. Пружини розтягання навивають без просвіту між витками з попереднім натягом, рівним ^l/₄...^l/₃ від граничного навантаження. Для з'єднання з відповідними деталями машин на кінцях цих пружин передбачають причепи у виді вигнутих витків (див. рисунок 26.1, б) чи окремих деталей необхідної форми, що з'єднуються з кінцями пружин. Пружини крутіння навивають із просвітом між витками, на кінцях вони мають причепи (див. рисунок 26.1, в) для з'єднання з відповідними деталями машин. Форма причепів визначається призначенням пружини. Різновиди за класами і розрядами гвинтових циліндричних пружин стиску і розтягання зі сталі круглого перетину, а також основні параметри і методика визначення розмірів цих пружин нормалізовані ДЕСТ 13764-68...13776-68.

Розрахунок гвинтових циліндричних одножильних пружин із дроту круглого перетину

Розглянемо розрахунок гвинтових циліндричних одножильних пружин розтягання і стиску. Основні геометричні параметри гвинтових циліндричних пружин із дроту круглого поперечного переріза (див. рисунок 26.1): d – діаметр дроту; D_H і D – зовнішній і середній діаметри пружини; с = D/d – індекс пружини; t – крок пружини; а – кут підйому витків; L₀ – довжина розгорнутої пружини (без обліку зачепів пружини). Піддатливість пружини прямо пропорційна її індексу с. Для збільшення піддатливості пружини індекс с приймають можливо великим; практично с = 4...12. Значення індексу с пружини приймають у залежності від діаметра дроту:

d, мм …………………………… <2,5 3…5 6…12

c ………………………………… 5…12 4…10 4…9

Зі збільшенням індексу пружини тієї ж жорсткості можна скоротити її довжину шляхом збільшення діаметра, а зі зменшенням індексу можна зменшити діаметр пружини шляхом збільшення її довжини.

У будь-якому поперечному перерізі витка пружини розтягання чи стиску при роботі виникають (рисунок 26.3, а) сила F, спрямована по вісьовій лінії пружини, і момент М = FD/2, вектор якого перпендикулярний вісьовій лінії пружини. Сила F розкладається на поперечну F₁ = Fcosα і подовжню F₁ = Fsinα сили. При розкладанні моменту М по вісьовій лінії витка пружини і перпендикулярному йому напрямку в поперечному перерізі дроту пружини виникають: крутний T = FDcosα/2 і згинаючий М_и = FDsinα/2 моменти. Тому що кут α<10...12°, то згинальний момент М_и значно менше крутного T, а подовжня сила F₂ значно менше поперечної сили F₁, але, як показують розрахунки, дотичні напруження зрушення значно менше дотичних напружень крутіння, тому для спрощення розрахунку пружин на міцність звичайно враховують лише крутний момент T, при цьому приблизно приймають cos α = 1, тобто Т = М = FD/2. Таким чином, розрахунок гвинтової циліндричної пружини розтягання чи стискання з дроту круглого поперечного переріза роблять за формулою:

τ = 8kFD/(πd³) = 8kFc/(πd²) < [τ], (26.1)

де τ – розрахункове максимальне навантаження в поперечних перерізах витків пружини; [τ] – навантаження, що допускається, для дроту пружини; k - коефіцієнт впливу на навантаження кривизни витків і поперечної сили; F - максимальна сила розтягання чи стиску. Формулою (26.1) користаються при перевірочному розрахунку пружини, коли її розміри відомі.

Значення коефіцієнта k приймають у залежності від індексу пружини:

c …………………… 4 5 6 8 10 12

k …………………… 1,37 1,29 1,24 1,17 1,14 1,11