Пружина

Пружина (англ. spring, нем. feder, фр. resort) — это деталь общего назначения, используемая в различных механизмах и машинах, способная накапливать, отдавать, а также поглощать механическую энергию. Основное свойство пружины в том, что она может возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия — кручения, сжатия или растяжения. В основном пружины применяются в качестве силовых деталей, которые за счёт запасённой энергии могут служить как источниками статических усилий, так и для приведения механизмов в движение, а также в качестве амортизаторов, которые поглощают энергию удара и рассеивают её в виде затухающих колебаний. Конструкция и качество изготовления пружин определяют работоспособность и долговечность изделий машиностроения, в устройство которых они входят.

Пружины изготавливаются из различных упругих материалов, наиболее распространённым из которых является пружинная сталь. Для пружин, требующих устойчивости к коррозии, используются обладающие упругостью цветные металлы, например, фосфористая бронза. При необходимости изготовления пружин, обладающих хорошей электропроводностью, используется бериллиевая медь.

Очень простые, не спиральные пружины использовались на протяжении всей истории. Первыми упругими элементами, применяемыми человеком, считаются различные бытовые пинцеты и прищепки-зажимы, луки и удочки. В дальнейшем пружины стали широко использоваться в часовых механизмах и рессорах для экипажей.

Теория

В классической физике явление упругого воздействия описывает закон Гука, который гласит, что удлинение упругого стержня (разница между его растянутой и расслабленной длиной) прямо пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. Аналогично, при сжатии действует тот же закон, только с обратным знаком (стержень укорачивается). Это объясняется тем, что при воздействии внешней силы на упругий материал он накапливает потенциальную энергию, возникающую за счёт изменения связи между его атомами.

Для тонкого растяжимого стержня (струны) закон Гука имеет вид:

$F=-k\,\Delta l$,

где $F$ — сила упругого сопротивления стержня, $\Delta l$ — линейное удлинение (сжатие) стержня, а $k$ — коэффициент жёсткости упругого материала. Чем выше $k$, тем жестче стержень и тем тяжелее он поддается растяжению или сжатию. Знак «минус» в формуле указывает на то, что стержень противодействует деформации: при растяжении стремится укоротиться, а при сжатии — распрямиться.

В реальности этот закон справедлив для ограниченных значений растяжения и сжатия. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести), в материале наступают необратимые нарушения его структуры и деталь деформируется или разрушается.

Оценка коэффициента жёсткости

Для витой цилиндрической пружины сжатия или растяжения, намотанной из цилиндрической проволоки и упруго деформируемой вдоль оси, коэффициент жёсткости выражается следующим образом:

$k={\frac {G\cdot d_{\mathrm {D} }^{4}}{8\cdot d_{\mathrm {F} }^{3}\cdot n}},$

где:

d_D — диаметр проволоки;

d_F — диаметр намотки (измеряемый от оси пружины до оси проволоки);

n — число витков;

G — модуль сдвига, описывающий реакцию материала на сдвиговую нагрузку.

Усилие полностью сжатой витой пружины

$F_{max}={\frac {Ed^{4}(L-nd)}{16(1+\nu )(D-d)^{3}n}}\$

где:

E – модуль Юнга

d – диаметр проволоки

L – длина пружины без нагрузки

n – количество витков

$\nu$ – коэффициент Пуассона

D – диаметр намотки пружины

Классификация пружин

По виду нагрузки

В зависимости от того, как на пружины воздействует прикладываемая нагрузка, они бывают четырёх типов:

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

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. Волновые пружины, навитые из синусоидальной металлической ленты, отличаются более высокой устойчивостью благодаря соприкасающимся вершинам волн соседних витков.

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 кручения — могут быть двух видов:

• торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет бо́льшую длину, чем витая пружина);
• витые пружины, работающие на кручение.

Пружины изгиба — стопорные кольца и шайбы, торсионы, части реле, упругие зажимы.

Разновидностью пружины является также пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

Спиральная пружина в механических часах
1 - лента пружины
2 - точка крепления

По конструкции

Основные виды пружин в зависимости от конструкции:

• витые из проволоки круглого сечения;
• витые из проволоки с прямоугольным сечением;
• спиральные из упругих лент (заводные пружины)
• витые конические;
• тарельчатые;
• торсионные;
• цилиндрические кручения;
• фасонные.

Области применения

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

Литература

• Справочные таблицы по деталям машин. — М.: Машиностроение, 1956.
• Ливотов В.С., Просвиров А.С.,Напалков А.В. Технологические расчеты упругих элементов. — Волгоград, 2002.