Пружина. Виды и применение. Жесткость и нагрузка. Особенности

Виды деформации

Деформация – это изменение формы, или размеров тела.

Есть несколько видов деформации:

• сдвиг;
• кручение;
• изгиб;
• сжатие/растяжение;

Деформация сдвига возникает, когда одни части тела сдвигаются относительно других его частей. Если подействовать на верхнюю часть картонного ящика, наполненного различными предметами, горизонтальной силой, то вызовем сдвиг верхней части ящика относительно его нижней части.

Сжатие или растяжение легко представить на примере прямоугольного куска тонкой резины. Такая деформация используется, к примеру, в резинках для одежды.

Примеры изгиба и кручения показаны на рисунке 1. Пластиковая линейка, деформированная изгибом, представлена на рис. 1а, а на рисунке 1б – эта же линейка, деформируемая кручением.

В деформируемом теле возникают силы, имеющие электромагнитную природу и препятствующие деформации.

Класс «А» и «В» – существенные отличия

Многим автомобилистам расшифровка жесткости по цвету идентична классификации по классам. Если коротко, то А-класс это более жесткий вариант независимо от расцветки витков пружины, а В-класс – более мягкий в той же расцветке. Цвет витков помогает не перепутать пружины основной группы. Они всегда должны быть одинакового цвета. А вот небольшие цветовые полосы указывают на подгруппу, или класс жесткости – А или В в конкретной группе.

Когда выбираются новые пружины, обращать внимание следует на нанесенное обозначение. Существенных отличий между классами нет. Основное заключается в том, что для сжатия пружины типа А на определенную высоту потребуется на 25 килограмм больше, чем аналога типа В. Если на пружине нет маркера, такую деталь лучше не покупать. Исключением являются детали, которые не маркируются (они указаны в таблице).

Помимо безопасности автомобиль, оснащенный качественными пружинами, станет более комфортным. На таком транспортном средстве мягче ехать, что положительно сказывается на самочувствии водителя при длительных поездках.

Растяжение пружины

Рассмотрим подробнее деформацию растяжения на примере пружины.

Давайте прикрепим пружину к некоторой поверхности (рис. 2). На рисунке слева указана начальная длина \(L_{0}\) пружины.

Подвесим теперь к пружине груз. Пружина будет иметь длину \(L\), указанную на рисунке справа.

Сравним длину нагруженной пружины с длиной свободно висящей пружины.

\[ \large L_{0} + \Delta L = L \]

Найдем разницу (разность) между длинами свободно висящей пружины и пружины с грузом. Вычтем для этого из обеих частей этого уравнения величину \(L_{0}\).

\[ \large \boxed{ \Delta L = L — L_{0} }\]

\( L_{0} \left(\text{м} \right) \) – начальная длина пружины;

\( L \left(\text{м} \right) \) – конечная длина растянутой пружины;

\( \Delta L \left(\text{м} \right) \) – кусочек длины, на который растянули пружину;

Величину \( \Delta L \) называют удлинением пружины.

Иногда рассчитывают относительное удлинение. Это относительное удлинение часто выражают десятичной дробью. Или дробью, в знаменателе которой находится число 100 — такую дробь называют процентом.

Примечание: Отношение – это дробь. Относительное – значит, дробное.

\[ \large \boxed{ \frac{\Delta L }{ L_{0}} = \frac{ L — L_{0}}{L_{0} } = \varepsilon } \]

\( \varepsilon \) – это отношение (доля) растяжения пружины к ее начальной длине. Измеряют в процентах и называют относительным удлинением.

Monroe

Страна производитель: Бельгия. Торговая марка MONROE выпускает запчасти согласно сертификату ISO 9001, ISO/TS 16949-2009. Модельный ряд представлен такими линейками: Monroe Springs, Monroe OESpectrum, SN (задние пружины постоянного сечения), SE (передние и задние пружины для авто выпуск которых до 2008 года), Monroe Spheres (для авто с гидропневматической подвеской), Original Equipment. Бренд часто сравнивают с KYB.

За что хвалят: Комфорт, хорошая управляемость автомобилем, надёжность. За что ругают: Цена.

Расчет силы упругости

Если растягивать пружину вручную, мы можем заметить: чем больше мы растягиваем пружину, тем сильнее она сопротивляется.

Значит, с удлинением пружины связана сила, которая сопротивляется этому удлинению.

Конечно, если пружина окажется достаточно упругой, чтобы сопротивляться. Например, разноцветная пружина-игрушка (рис. 3), изготовленная из пластмассы, сопротивляться растяжению, увеличивающему ее длину в два раза, практически не будет.

Разноцветная пластмассовая пружина-игрушка растяжению сопротивляется слабо

Закон Гука

Английский физик Роберт Гук, живший во второй половине 17-го века, установил, что сила сопротивления пружины и ее удлинение связаны прямой пропорциональностью. Силу, с которой пружина сопротивляется деформации, он назвал \( F_{\text{упр}} \) силой упругости.

\[ \large \boxed{ F_{\text{упр}} = k \cdot \Delta L }\]

Эту формулу назвали законом упругости Гука.

\( F_{\text{упр}} \left( H \right) \) – сила упругости;

\( \Delta L \left(\text{м} \right) \) – удлинение пружины;

\( \displaystyle k \left(\frac{H}{\text{м}} \right) \) – коэффициент жесткости (упругости).

Какие деформации называют малыми

Закон Гука применяют для малых удлинений (деформаций).

Если убрать деформирующую силу и тело вернется к первоначальной форме (размерам), то деформации называют малыми.

Если же тело к первоначальной форме не вернется – малыми деформации назвать не получится.

Как рассчитать коэффициент жесткости

Груз, прикрепленный к концу пружины, растягивает ее (рис. 4). Измерим удлинение пружины и составим силовое уравнение для проекции сил на вертикальную ось. Вес груза направлен против оси, а сила упругости, противодействующая ему – по оси.

Так как силы взаимно компенсируются, в правой части уравнения находится ноль.

\[ \large F_{\text{упр}} — m \cdot g = 0 \]

Подставим в это уравнение выражение для силы упругости

\[ \large k \cdot \Delta L — m \cdot g = 0 \]

Прибавим к обеим частям вес груза и разделим на измеренное изменение длины \(\Delta L \) пружины. Получим выражение для коэффициента жесткости:

\[ \large \boxed{ k = \frac{ m \cdot g }{\Delta L} }\]

\(g\) – ускорение свободного падения, оно связано с силой тяжести.

Основные разновидности

Прежде чем приступим к рассмотрению разновидностей пружин для авто, коротко вспомним, зачем они нужны. Передвигаясь по неровностям, автомобиль должен сохранять мягкость. В противном случае поездка не будет отличаться от передвижения на повозке. Для обеспечения комфорта автопроизводители оснащают транспорт подвеской.

На самом деле комфорт при использовании подвески – это дополнительный бонус. Первостепенное назначение пружин в авто – безопасность транспорта. Когда колесо на скорости наезжает на препятствие, например на кочку, амортизатор смягчает удар. Однако чтобы машина не теряла сцепление с дорожным покрытием, колесо нужно быстро вернуть на твердую поверхность.

Подробней о том, зачем машине пружины, рассказано в этом видео:

Для чего предназначены пружины авто?

Для этой цели и нужны пружины. Но если в транспортных средствах использовать только их, на скорости даже небольшая кочка заставит машину сильно раскачиваться, что также приведет к потере сцепления. По этой причине пружины в современных транспортных средствах используются совместно с амортизаторами.

Классификация всех пружин для машин следующая:

1. Стандарт. Такой автомобильный элемент устанавливается заводом-изготовителем при сборке модели на конвейере. Эта разновидность соответствует техническим характеристикам, указанным в технической документации машины.
2. Усиленный вариант. Такие пружины более жесткие, чем заводский аналог. Этот тип отлично подойдет для транспорта, эксплуатируемого в сельской местности, так как пружины в этом случае будут испытывать больше нагрузки. Так же такими модификациями оснащаются машины, которые часто перевозят грузы и буксируют прицеп.
3. Повышающая пружина. Помимо увеличенного дорожного просвета такие пружины повышают грузоподъемность автомобиля.
4. Понижающие пружины. Обычно такой вид используют любители спортивной езды. У заниженного автомобиля центр тяжести находится ближе к дороге, благодаря чему увеличивается аэродинамика.

Несмотря на то, что каждая модификация имеет свое различие, все они изготавливаются по особенной технологии.

Соединяем две одинаковые пружины

В задачниках по физике и пособиях для подготовки к ЕГЭ встречаются задачи, в которых одинаковые пружины соединяют последовательно, либо параллельно.

Параллельное соединение пружин

На рисунке 5а представлена свободно висящая пружина. Нагрузим ее (рис. 5б), она растянется на величину \(\Delta L\). Соединим две такие пружины параллельно и подвесим груз в середине перекладины (рис. 5в). Из рисунка видно, что конструкция из двух параллельных пружин под действием груза растянется меньше, нежели единственная такая пружина.

Сравним растяжение двух одинаковых пружин, соединенных параллельно, с растяжением одной пружины. К пружинам подвешиваем один груз весом \(mg\).

Одна пружина:

\[ \large k_{1} \cdot \Delta L = m \cdot g \]

Две параллельные пружины:

\[ \large k_{\text{параллел}} \cdot \Delta L \cdot \frac{1}{2}= m \cdot g \]

Так как правые части уравнений совпадают, левые части тоже будут равны:

\[ \large k_{\text{параллел}} \cdot \Delta L \cdot \frac{1}{2}= k_{1} \cdot \Delta L \]

Обе части уравнения содержат величину \(\Delta L \). Разделим обе части уравнения на нее:

\[ \large k_{\text{параллел}} \cdot \frac{1}{2}= k_{1} \]

Умножим обе части полученного уравнения на число 2:

\[ \large \boxed{ k_{\text{параллел}} = 2k_{1} } \]

Коэффициент жесткости \(k_{\text{параллел}}\) двух пружин, соединенных параллельно, увеличился вдвое, в сравнении с одной такой пружиной

Последовательное соединение пружин

Рисунок 6а иллюстрирует свободно висящую пружину. Нагруженная пружина (рис. 6б), растянута на длину \(\Delta L\). Теперь возьмем две такие пружины и соединим их последовательно. Подвесим груз к этим (рис. 6в) пружинам.

Практика показывает, что конструкция из двух последовательно соединенных пружин под действием груза растянется больше единственной пружины.

На каждую пружину в цепочке действует вес груза. Под действием веса пружина растягивается и передает далее по цепочке этот вес без изменений. Он растягивает следующую пружину. А та, в свою очередь, растягивается на такую же величину \(\Delta L\).

Примечание: Под действием силы пружина растягивается и передает эту растягивающую силу далее по цепочке без изменений

Сравним растяжение двух одинаковых последовательно соединенных пружин и растяжение единственной пружины. В обоих случаях к пружинам подвешиваем одинаковый груз весом \(mg\).

Одна пружина:

\[ \large k_{1} \cdot \Delta L = m \cdot g \]

Две последовательные пружины:

\[ \large k_{\text{послед}} \cdot \Delta L \cdot 2 = m \cdot g \]

Так как правые части уравнений совпадают, левые части тоже будут равны:

\[ \large k_{\text{послед}} \cdot \Delta L \cdot 2 = k_{1} \cdot \Delta L \]

Обе части уравнения содержат величину \(\Delta L \). Разделим обе части уравнения на нее:

\[ \large k_{\text{послед}} \cdot 2 = k_{1} \]

Разделим обе части полученного уравнения на число 2:

\[ \large \boxed{ k_{\text{послед}} = \frac{k_{1}}{2} } \]

Коэффициент жесткости \(k_{\text{послед}}\) двух пружин, соединенных последовательно, уменьшится вдвое, в сравнении с одной такой пружиной

Особенности изготовления

Большинство деталей для машин изготавливаются по конкретной технологии, благодаря чему они соответствуют стандартам. Однако в случае с производством пружин есть небольшая тонкость. Процесс изготовления детали может сопровождаться операциями, которые часто сложно контролировать.

По этой причине компании, занимающиеся массовым изготовлением автопружин, не могут создавать идентичные детали. После выхода с конвейера каждая запчасть из этой категории проверяется на жесткость. Проведя сравнение с эталоном, специалисты наносят на изделия особенные метки. Маркировка позволяет классифицировать каждое изделие по группам, которые упомянуты немного выше.

Потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины

Пружина сжатая (левая часть рис. 7), или растянутая (правая часть рис. 7) на длину \(\Delta L \) обладает потенциальной возможностью вернуться в первоначальное состояние и при этом совершить работу, например, по перемещению груза. В таких случаях физики говорят, что пружина обладает потенциальной энергией.

Эта энергия зависит от коэффициента жесткости пружины и от ее удлинения (или укорочения при сжатии).

Чем больше жесткость (упругость) пружины, тем больше ее потенциальная энергия. Увеличив удлинение пружины получим повышение ее потенциальной энергии по квадратичному закону:

\[ \large \boxed{ E_{p} = \frac{k}{2} \cdot \left( \Delta L \right)^{2} }\]

\( E_{p} \left( \text{Дж} \right)\) – потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины;

\( \Delta L \left(\text{м} \right) \) – удлинение пружины;

\( \displaystyle k \left(\frac{H}{\text{м}} \right) \) – коэффициент жесткости (упругости) пружины.

Пружинная проволока

Пружинная проволока — это высококачественная проволока, для изготовления различных пружин, подвергаемых или не подвергаемых закалке.
Упрочненная проволока, для пружин не подвергаемых закале и навиваемых только в холодном состоянии, выпускается диаметром от 0.4 до 8.0 мм. из углеродистых сталей, марок 65, 70, 75, 85.

Для пружин подвергаемых обязательной термической обработке, применяют уплотненную проволоку диаметром от 3.0 до 12.0 мм. из легированных сталей, марок 60С2А, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2БА.

Выводы

1. Упругие тела – такие, которые сопротивляются деформации;
2. Во время деформации в упругих телах возникает сила, она препятствует деформации, ее называют силой упругости;
3. Деформация – изменение формы, или размеров тела;
4. Есть несколько видов деформации: изгиб, кручение, сдвиг, растяжение/сжатие;
5. Удлинение пружины – это разность ее конечной и начальной длин;
6. Сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией (вообще, любое упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией);
7. Система, состоящая из нескольких одинаковых пружин, будет иметь коэффициент жесткости, отличный от жесткости единственной пружины;
8. Если пружины соединяют параллельно – коэффициент жесткости системы увеличивается;
9. А если соединить пружины последовательно – коэффициент жесткости системы уменьшится.

Выбор в зависимости от производителя

Часто водители при поломке деталей стараются купить оригинальные, заводские на замену, не желая экспериментировать. Однако есть достойный выбор от других производителей, изделия которых подчас не хуже оригинальных.

Сириус

Есть большой ассортимент для разных марок автомобилей, также детали изготавливаются любой конфигурации по чертежам заказчика.

Фобос

Качество удовлетворительное, но, по словам некоторых автолюбителей, после 2 лет начинают проседать, теряя жёсткость. Всего под этим брендом изготавливается пружины около 500 видов на любые марки машин, имеются стандартные, усиленные и заниженные пружины. Также предлагаются люфт-комплекты с увеличением дорожного просвета.

Технорессор

Хорошее качество за небольшие деньги. Жёсткость со временем теряют, но не просаживаются. В качестве бюджетного варианта вполне неплохи.

Очень долговечны, без проседаний. Имеют регулировку жёсткости прямо на авто, выполняется специальным барашком под капотом.

Eibach

Качественные, очень долговечные, практически не «стареют» — не проседают, не теряют жёсткость. При поворотах нет крена. Но стоят они дороже, чем Koni, в полтора раза.

Изделия бренда SS20 проходят на испытательных стендах обязательную проверку, после которой их подбирают в пары с аналогичными характеристиками. Такая проверка обеспечивает, по словам производителя, 100-процентное качество продукции. Большой ассортимент позволяет подобрать нужные характеристики в зависимости от стиля вождения и условий эксплуатации. Предлагаются 3 варианта:

• горячей навивки стандартной высоты с линейной характеристикой сжатия;
• холодной навивки стандартной высоты с линейной и прогрессивной характеристиками сжатия;
• холодной навивки заниженные, с прогрессивной характеристикой сжатия.

Kilen

Альтернативные оригинальные пружины от Kilen отличаются максимальным качеством. Срок службы, как заявляют производители, вдвое превышает работу оригинальных изделий от ВАЗ.

Асоми

Отличные пружины, изготавливаемые из особых сплавов, покрытые для увеличения длительности срока службы эпоксидным напылением.

Технология холодной навивки с закалкой и отпуском

Первые этапы технологии совпадают с предыдущим процессом. На стадии термообработки начинаются изменения. Она проводится в несколько этапов:

• Закалка. Заготовку нагревают до заданной температуры, выдерживают от 2 до 3 часов. Далее подвергают скоростному охлаждению, погружая в емкость с минеральным маслом или солевым раствором. В ходе стадии закалки заготовки должны находиться в горизонтальном положении. Это позволит избежать из деформации
• Отпуск. Заготовку нагревают до 200-300° и выдерживают несколько часов для снятия внутренних напряжений и улучшения упругих свойств.

Далее также проводятся измерительные и контрольные операции. Прошедшие контроль заготовки направляют на пескоструйную обработку для снятия окалины. При необходимости следует сделать также и дробеструйную обработку для повышения прочности поверхностного слоя металла.

Завершает процесс нанесение защитного покрытия.

Kilen

Страна производитель: Швеция. ]Kilen[/anchor] производит пружины ассортимент, которых более 5500 моделей. Вся продукция выпускается согласно сертификатам ISO 9002, ISO TS 16949:2009. Модельный ряд представлен: винтовые пружины, цилиндрические заменные пружины, понижающие пружины, листовые пружины, спортивные и газовые пружины. Бренд часто сравнивают с Lesjofors.

За что хвалят: Хорошая управляемость, комфорт. За что ругают: Не усиленные.