ПРУЖИНИ НА СТИСК

Мета роботи: а) ознайомлення з конструкціями пружин і матеріалами для їх виготовлення;

б) побудова робочої характеристики гвинтової циліндричної пружини стиску розрахунковим та експериментальним методами.

Призначення та конструкції пружини. Пружні елементи – пружини, ресори, амортизатори, демпфери та ін. широко використовуються в транспортних і гірничих машинах, верстато-, приладобудуванні тощо. Їх використовують:

а) для створення заданих постійних зусиль у натискних та натяжних пристроях, клапанах та ін.;

б) для акумулювання механічної енергії попереднім деформуванням пружини;

в) для віброізоляції та амортизації ударів у гірничому машинобудуванні (вібраційні конвеєри), у транспортних машинах, в опорних пристроях чутливих елементів приладів;

г) для силового замикання кінематичних пар;

д) для вимірювання сил, температур, переміщень пружними деформаціями пружини у вимірювальних приладах.

У загальному машинобудуванні поширені гвинтові, циліндричні та конічні пружини розтягу та стиску (табл. 11.1), які використовуються в широкому діапазоні навантаження. У цих пружинах витки піддаються деформації крутіння. Тарільчасті пружини, які складаються із набору конусних дисків-тарілок, використовуються для великих навантажень при малих пружних переміщеннях (буфери, амортизатори). Кільцеві пружини використовують для великих навантажень при необхідності розсіяти велику кількість енергії (амортизатори); ресори – при обмежених габаритах за віссю і необмежених габаритах у боковому напрямку; вони піддаються згинальній деформації. Пружини кручення у вигляді циліндричних пружин використовують при достатніх габаритах в осьовому напрямку, а при обмежених габаритах уздовж осі – у вигляді плоских спіральних пружин. При необмежених габаритах вздовж осі і невеликій податливості використовують стержневі пружини–торсіони. Гумово-металеві пружні елементи складаються з пружної гумової деталі та металевої арматури, яка призначена для спряження та закріплення цих елементів у вузлах машин.

Таблиця 11.1

Види пружних елементів

Матеріали для виготовлення пружин. Матеріали пружини повинні мати високі і стабільні в часі пружні властивості, а також достатню міцність та стійкість проти втомного руйнування.

Основними матеріалами для пружин є:

а) високовуглецеві та марганцеві сталі марок 65, 70, 75, 65Г;

б) вуглеці інструментальні У8А, У10А, У12А;

в) сталі леговані кремнієм (60С2А), хромом (50ХГА), ванадієм (50ХФА) та ін.

Вуглецеві сталі відносно дешеві але мають низькі показники міцності та прогартовування. Тому їх застосовують для виготовлення пружин малих перерізів (до 10 мм).

Марганцеві та кремнієві сталі мають підвищені характеристики міцності і прогартовування, але вони більш чутливі до перегріву.

Хромомарганцеві та хромованадієві сталі мають найвищі показники міцності, прогартовування та теплостійкості. Із них виготовляють відповідальні пружини довільних розмірів. Вони добре працюють і в умовах змінних напружень.

Заготовками для використання пружин є дріт, стрічка, прутки та смуга.

Дріт застосовують трьох класів: нормальної міцності III, підвищеної міцності II та високої міцності I.

Пружини, у яких робоче навантаження постійне або змінюється з обмеженим числом циклів, доцільно заневолювати, тобто попередньо пружнопластично деформувати їх. Для цього протягом 15–40 годин їх навантажують таким зусиллям, що спричиняє напруження вище границі пружності. Це підвищує несучу здатність пружин на 20 - 25 %. Для захисту поверхонь витків пружин від корозії використовують різні покриття: цинкування, хромування, фосфатування.

 

Основи теорії та розрахунок гвинтових циліндричних пружин з витками круглого перерізу. Циліндричні гвинтові пружини розтягу та стиску характеризуються такими основними параметрами (рис. 11.1): діаметр витків (дроту) пружини d; середній діаметр пружини D; зовнішній діаметр пружини D₃ = D + d; індекс пружини C = D/d; крок витків у ненавантаженій пружині h (для пружини розтягу h = d); кут підйому витків α, причому tg α = h/(π D); довжина (висота) ненавантаженої пружини H₀; довжина робочої частини ненавантаженої пружини H_p і кількість робочих витків і = H_p/h; довжина дроту для виготовлення пружини L.

 

 

 

 

Для розрахунку пружини необхідно знати призначення пружини (розтягу, стиску), конструктивні параметри (середній діаметр та ін.), умови навантаження, її робочу характеристику (рис. 11.2), де повинні бути вказані значення λ _max i λ _min – відповідно максимальна і мінімальна розрахункова деформація пружини; F_max і F_min – відповідно максимальне і мінімальне розрахункове навантаження; F_гр – граничне навантаження.

Для пружини розтягу (рис. 11.1, а) або стиску (рис. 11.1, б) за максимальним навантаженням F_max із умови міцності визначаємо діаметр дроту d за формулою:

 

(11.1)

де К – коефіцієнт, що враховує кривизну витків; С – індекс податливості пружини; - допустиме напруження кручення витків.

Орієнтуючись на досвід проектування, вибираємо попереднє значення діаметра витків пружини d і величину індексу С із табл. 11.2.

Залежно від індексу С знаходять значення коефіцієнта К за формулою:

К = 1 + 1, 4/ С. (2)

Добуте за формулою (1) значення діаметра d округляють до значення із стандартного ряду діаметрів дроту для виготовлення пружин.

 

Таблиця 11.2

Величина індексу податливості С

 

d, мм	≤ 2, 5	3…5	6…12
С	5…12	4…10	4…9

 

Перевіряють фактичний індекс пружини С = D/d та значення коефіцієнта кривизни витків К.

Розраховують напругу крутіння у витках пружини при граничному навантаженні F_гр і перевіряють умову міцності за

таким критерієм

. (3)

Потрібна кількість робочих витків пружини визначається за рівнянням:

і = , (4)

де G – модуль пружності при зсуві матеріалу пружини, G = 8 · 10⁴ МПа.

Загальна кількість витків пружини

і₀ = і + 2.

Після цього обчислюють решту розмірів пружин.

 

1. Для пружин розтягу.

Довжина робочої частини навантаженої пружини

H_p = id.

Повна кількість витків

і₀ = і + (1…2).

Довжина ненавантаженої пружини

H₀ = i₀d + 2 h_в,

де h_в – висота одного витка, h_в = (0, 5…1) D.

Довжина пружини при максимальному розрахунковому навантаженні F_max:

H=H₀ + λ _max =H₀ + (F_max – F₀)/k = H₀ + 8C³ і (F_max–F₀)/(Gd).

Довжина дроту для виготовлення пружини

L = π Di/cos α +2 l_в,

де l_в - довжина дроту для виготовлення одного вушка.

 

2. Для пружин стиску.

Загальна кількість витків

і₀ = і + (1, 5…2),

де кількість крайніх щільно навитих витків становить 1, 5…2.

Мінімальній зазор між витками Δ при максимальному розрахунковому навантаженні F_max:

= (0, 1…0, 2) λ _max /і.

Крок витків ненавантаженої пружини

h = λ _max/і + d + Δ;.

Довжина пружини, стиснутої до дотику витків

H_гр = (і₀ – 0, 5) d.

Довжина ненавантаженої пружини

H₀ = H_гр + і (h - d).

Довжина дроту для виготовлення пружини

L = π Di₀/cos α.

Для гвинтових циліндричних пружин розтягу або стиску з дроту круглого перерізу існує також табличний метод визначення розмірів за відомим навантаженням – ГОСТ 13765-86.

 

Обладнання, прилади, інструменти. При виконанні лабораторної роботи застосовують: гвинтовий прес ДМ 30, оправку для закріплення пружини, штангенциркуль ШЦ – 1, лінійку, гвинтову циліндричну пружину із невеликим кроком.

Універсальний гвинтовий прес ДМ 30 (рис. 11.3) складається із основи 10, на якій установлено стіл 7. Черв’ячно-гвинтова передача 9 дає можливість столу рухатись вертикально. До основи преса прикріплено дві циліндричні колони 8, на верхніх кінцях яких закріплена верхня траверса 2 з повзуном 4. Переміщення повзуна при роботі преса здійснюється штурвалом 1. При обертанні штурвала гвинт загвинчується (або вигвинчується) у гайку повзуна. Від провертання повзун зафіксовано шпонкою і тому він може рухатись лише вздовж осі. Динамометр 5, що вимірює силу стиску пружини, являє собою пружне кільце, яке деформується під дією вказаної сили. Ця деформація вимірюється індикатором 6 годинникового типу.

Порядок виконання роботи. Для побудови робочої характеристики гвинтової циліндричної пружини стиску розрахунковим методом виконують наступні дії:

1) заміряють геометричні параметри, запропонованої викладачем пружини за допомогою штангенциркуля (d, D₃, h₁, H₀) і підраховують i₀;

2) визначають параметри D, C, i, K;

3) із формулі (3) визначають F_гр, тобто силу дотику витків (приймають G = 8 ·10⁴MПа);

4) приймають F_max = 0, 55 F_гр, F_min = 0, 25 F_гр і для цих значень сил із формули (4) визначають λ _max i λ _min;

5) за отриманими значеннями і F, будують робочу характеристику пружини, користуючись рис. 2, б.

 

Для побудови робочої характеристики пружини експериментальним методом виконують наступні дії:

1) установлюють запропоновану викладачем пружину в оправках між столом 7 преса ДМ 30 (див. рис. 11.3) і динамометром 5. Переміщуючи стіл преса, вибирають зазор на торцях пружини. Незважаючи на те, що пружини установлюють в оправах, до випробування застосовують пружини при Н₀/D< 3, які мають достатню поздовжню стійкість;

2) вимірюють лінійкою розмір між оправками при відсутності навантаження на пружину, після чого, рухаючи стіл, навантажують пружину силою F_min (за динамометром) і знову вимірюють розмір між оправками. Різниця цих розмірів дасть нам λ _min;

3) збільшуючи навантаження на пружину рівним ступенем до F_max, кожного разу вимірюють розмір між оправками. Достатньо отримати 4-6 значень розмірів, визначити відповідні значення осадки пружини λ до λ _max. Дані вимірювань заносять у табл. 3;

4) за отриманими значеннями λ і F будують робочу характеристику пружини і порівнюють її з характеристикою пружини, що була отримана розрахунковим методом.

Зміст звіту. У звіті до лабораторної роботи має бути:

1) назва і мета лабораторної роботи;

2) ескіз та опис преса;

3) ескіз пружини, що запропонованої викладачем, із зазначенням розмірів;

4) розрахунки параметрів пружини і побудова її робочої характеристики;

5) визначення осадки пружини при різних значеннях сили її стиску експериментальним методом;

6) подати розрахункові та експериментальні залежності згідно з табл. 11.3 і порівняти їх.

Таблиця 11.3

Розрахункові та експериментальні залежності F=f (λ)

Розрахункові дані	Експериментальні дані
Навантаження на пружину F, H	Осадка пружини λ, мм	Навантаження на пружину F, H	Осадка пружини λ, мм
Fmin=	λ min =	Fmin=	λ min =
		F1=	λ 1 =
		F2=	λ 2 =
		F3=	λ 3 =
Fmax =	λ max =	Fmax =	λ max =

Контрольні запитання

1. З якою метою використовують пружини в машинобудуванні?

2. Назвіть основні геометричні й числові параметри пружин.

3. Що таке податливість і жорсткість пружини?

4. Які матеріали використовують для виготовлення пружин?

5. Що являє собою робоча характеристика пружин?

6. Як побудувати робочу характеристику пружин розрахунковим методом?

7. Які параметри пружини були визначені експериментально?

8. Поясніть, унаслідок чого маємо розбіжності між параметрами пружин, визначених розрахунковим методом та експериментально?