Пружина

Витая цилиндрическая пружина растяжения.

Пружина — упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.

История

Исторически первыми упругими элементами применяемыми человеком считаются различные бытовые пинцеты и прищепки-зажимы, луки и удочки.

Теория

Общий принцип функционирования

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию. Волновые пружины сжатия подобны множеству последовательно/параллельно соединённых рессор, работающих на изгиб.

Пружины и дефиниция силы

В физике не существует консенсусного определения понятия «сила». Один из методически корректных (в том смысле, что не искажает ситуацию и не создаёт дефиниционного порочного круга) подходов состоит в том, что дача определения заменяется изложением не опирающегося на какие-либо законы (например, на второй закон Ньютона) способа измерения сил^[1]. Если некая оговорённым образом изготовленная пружина при конкретном её растяжении [math]\displaystyle{ \Delta l_0 }[/math] объявлена источником единичной силы [math]\displaystyle{ F_0 }[/math], принцип суперпозиции позволит выставлять значения силы [math]\displaystyle{ F_c = 2F_0\cos(\alpha/2) }[/math] от 0 до [math]\displaystyle{ 2F_0 }[/math] при наличии двух «пружин [math]\displaystyle{ F_0 }[/math]», размещённых под углом [math]\displaystyle{ \alpha }[/math], а любая исследуемая сила может быть измерена уравновешением её подбором [math]\displaystyle{ F_c }[/math] через варьирование [math]\displaystyle{ \alpha }[/math] (при наличии большего числа пружин доступный диапазон расширяется). Получается, что пружины играют роль инструмента при фундаментальных измерениях силы.

Соотношение деформация—сила

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. То же, как правило, относится и к пружинам:

[math]\displaystyle{ F = k\,\Delta l }[/math],

где [math]\displaystyle{ \Delta l }[/math] — растяжение/сжатие, а [math]\displaystyle{ k }[/math] — жёсткость. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию. Многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Для измерений, описанных в предыдущем подразделе, выполнение или невыполнение закона Гука непринципиально, достаточно лишь свойства упругости, то есть возвращаемости пружины к исходному состоянию после снятия деформирующей нагрузки.

Оценка коэффициента жёсткости

Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости

[math]\displaystyle{ k = \frac{G \cdot d_\mathrm{D}^4}{8 \cdot d_\mathrm{F}^3 \cdot n}, }[/math]

где: d_D — диаметр проволоки; d_F — диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); n — число витков; : G — модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа, для меди ~ 45 ГПа).

Виды пружин

Витая цилиндрическая пружина сжатия из чугуна.

Тарельчатые пружины

Место установки тарельчатых пружин

По виду воспринимаемой нагрузки:

пружины сжатия;
пружины растяжения;
пружины кручения;
пружины изгиба.

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины).Они имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения — могут быть двух видов:

торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

По конструкции:

витые цилиндрические (винтовые);
витые конические (амортизаторы);
спиральные (в балансе часов);
плоские;
пластинчатые (например, рессоры);
тарельчатые;
волновые
торсионные;
телескопические (секатор);
мембранные, с нелинейной характеристикой в клавиатурах;
конструктивные (пинцет);
жидкостные;
газовые.

Основные параметры пружин

Силовые характеристики пружин: 1 — растущая, 2 — линейная, 3 — падающая, 4 — постоянная, 5 — ступенчатая

Для витых цилиндрических и конических:

количество витков
шаг витка
диаметр проволоки
предельно воспринимаемая нагрузка
линейная зависимость между деформацией (осадкой) пружины и нагрузкой, приложенной к ней

Для волновых:

сечение ленты
число витков
число волн на виток
коэффициент жёсткости
предельная нагрузка

также усталостные характеристики материалов.

Материал и технология изготовления

Историческая навивочная машина в музее Бордесхольма

Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

Материал различных резин имеет упругие свойства не требующие придания ей особой формы и часто применяется в прямом виде, однако из-за менее определённых характеристик в точных машинах используется реже.

Стальные пружины общего назначения изготавливают из высокоуглеродистых сталей,(У9А-У12А, 65, 70), легированных марганцем, кремнием, ванадием (65Г, 60С2А, 65С2ВА). Для пружин, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь (12Х18Н10Т), бериллиевую бронзу (БрБ-2), кремнемарганцевую бронзу (БрКМц3-1), оловянноцинковую бронзу (БрОЦ-4-3), титановые и никелевые сплавы, чугуны.

Небольшие пружины можно навивать из готовой проволоки, в то время как мощные изготавливаются из отожжённой стали и закаляются уже после формовки. После закалки пружины подвергаются среднему отпуску при температурах 450-480 градусов Цельсия. После отпуска пружины охлаждаются на воздухе.^[2]

Применение пружин

Одна из самых известных пружин — кольцо для ключей

Качалка на пружине — часто встречающийся атрибут городских детских площадок

Пружина — один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

В мягкой мебели и мебельных петлях и лифтах, в кнопках-застёжках, в карабинах, пружинных булавках, пружинных весах, отбойных молотках, в современных рельсовых скреплениях, в сцеплении, в механизмах часов, простых механических автоматах. Гидравлическая аппаратура не мыслима без пружин, упругость необходима для работы кнопок и клавиш управляющих устройств, спусковых механизмов и взрывателей.

В канцелярских товарах

В строительстве

Простейшие доводчики без гасителей для калиток и дверей интенсивного пользования, в холодном климате для тамбуров.
В возвратных механизмах ручных жалюзи, роликовых ставен и тяжелых секционных ворот.
В клапанах направления движения в общественных местах.
В лифтовых буферах.
В строениях и конструкциях на неустойчивых грунтах, в геологически активных местностях, как гаситель сейсмических волн.

В пресс-формах и штампах

В пресс-формах и штампах применяются пружины сжатия с прямоугольным сечением проволоки, они называются инструментальными пружинами. Благодаря прямоугольному сечению проволоки, пружина имеет более жесткие пружинные свойства при относительно небольших размерах, что очень удобно для размещения их в пресс-формы и штампы.

В огнестрельном оружии

Боевая пружина, возвратная пружина, пружина магазина
В симуляции оружия, оружие для страйкбола — пружина обычно используется для выталкивания снаряда в пружинно-поршневых винтовках.

В механизмах постоянной силы

Конструкция механизма или самой пружины обеспечивает постоянное усилие на грузонесущем элементе в определенном диапазоне перемещения.

Опоры постоянного усилия для трубопроводов
Роликовые пружины постоянного усилия или момента
Уплотнения трубопроводной арматуры
Заданная нагрузка для плавающих подшипников

См. также

Примечания

↑ И. Бутиков, А. С .Кондратьев. § 16. Сила — мера взаимодействия // Физика для углубленного изучения 1. Механика. — С. 88—90.
↑ Как выполняется термообработка пружины | modecut.net (неопр.). www.modecut.net. Дата обращения: 6 февраля 2023.

Литература

Справочные таблицы по деталям машин. — М.: Машиностроение, 1956.
Техническая энциклопедия / Л. К. Мартенс. — М.: Советская энциклопедия, 1932. — Т. 18. — С. 424-464. — 898 с.
Л. Е. Андреева. Упругие элементы приборов / В. И. Феодосьев. — М.: Машиностроение, 1962. — 456 с.

[ButKonSila-1] И. Бутиков, А. С .Кондратьев. § 16. Сила — мера взаимодействия // Физика для углубленного изучения 1. Механика. — С. 88—90.

[2] Как выполняется термообработка пружины | modecut.net (неопр.). www.modecut.net. Дата обращения: 6 февраля 2023.

[1]

[2]