4.3 Маркировка
4.3.1 Маркировку пружин выполняют на бирках клеймением, гравировкой или водостойкой краской. Бирку прикрепляют к пружине или упаковочному месту. Для пружин из проволоки диаметром более 5 мм допускается наносить маркировку электрографическим способом на одном из опорных витков.
4.3.2 Маркировка включает следующие сведения:
— товарный знак предприятия-изготовителя;
— месяц и год выпуска;
— номер пружины (партии);
— номер чертежа или условное обозначение пружины;
— по согласованию между заказчиком и изготовителем в маркировку могут быть внесены другие необходимые сведения.
Свойства пружин сжатия
Пружины сжатия – изделия, работающие на сжатие, способны воспринимать и выдерживать продольно-осевые нагрузки, сжимающие пружину в целом. Специфика проектирования и производства пружин, работающих на сжатие, заключается в необходимости изготовления упругой конструкции, которая будет способна:
- принимать деформирующие нагрузки, имеющие различную направленность;
- компенсировать их;
- восстанавливаться по окончании воздействия, возвращаясь в определенное положение и форму.
Для изготовления пружин сжатия используются современные материалы отечественного и зарубежного производства. Для повышения эксплуатационных характеристик и увеличения срока службы металлопрокат подвергается дополнительным методам обработки (дробеструйной очистке, термообработке и т.д.).
Назначение, классификация, основные свойства и материалы упругих элементов
Деформации деталей механизмов нежелательны, так как изменение размеров ведет к появлению дополнительных зазоров, натягов, погрешностей взаиморасположения в соединениях, уменьшает точность передачи, увеличивает потери на преодоление сил трения. Но существует большая группа деталей, основным рабочим свойством которых является значительная упругая деформация, полезно используемая для различных целей. Их называют упругими элементами
(УЭ).
Упругие элементы делятся на стержневые и оболочковые. К стержневым
УЭ относятся: винтовые пружины растяжения (рис.
а)
и сжатия (рис.
б),
проволока которых при деформации пружины скручивается; винтовые пружины кручения (рис.
г)
и плоские пружины (рис.
в, д),
материал которых испытывает деформацию изгиба. Материал
оболочковых
УЭ испытывает сложную деформацию. К таким элементам относят: гофрированные трубки — сильфоны (рис.
е);
плоские и гофрированные мембраны (рис.
ж);
мембранные коробки (рис.
з
); трубчатые пружины (рис.
и).
По назначению упругие элементы делятся на силовые, измерительные и элементы упругих связей. Силовые
УЭ применяются для силового замыкания кинематических пар — прижима звеньев в фрикционных, кулачковых и храповых передачах, муфтах, для накопления механической энергии, необходимой для возврата в исходное положение или приведения в движение (пружинные двигатели) подвижных звеньев механизмов.
Измерительные
УЭ используются в манометрах, динамометрах, термометрах и электроизмерительных приборах как чувствительные элементы устройств для измерения давлений, сил и моментов сил, температур и других параметров. Часто функцию измерительного элемента совмещают с функцией токопровода. Тонкие винтовые и спиральные пружины применяют как токоведущие УЭ.
Элементы упругих связей
используют при замене жесткой связи деталей упругой, как резиновые и пружинные амортизаторы (рис.
k
) для виброизоляции устройств и поглощения энергии удара.
По виду деформации упругие элементы делятся на элементы, испытывающие кручение, изгиб и сложную деформацию.
Материалы упругих элементов должны обладать высокими упругими свойствами, высокой прочностью при переменных нагрузках. Отдельные виды элементов должны быть стойкими к коррозии, иметь хорошую электропроводимость и антимагнитность.
Силовые и измерительные элементы изготавливают из высокоуглеродистых пружинных 65Г, 60С2,70С2 и инструментальных У8, У10, У12 сталей.
Контактные и моментные антимагнитные, коррозионно-стойкие пружины (см. рис. в
,
д)
изготавливают из фосфористых БрОФб-0,15, БрОФ4-0,2 и бериллиевой БрБ2 бронз.
Трубчатые манометрические пружины (см. рис. и),
сильфоны(рис.
е
), мембраны и мембранные коробки (рис.
ж, з
) изготавливают из латуней Л62, Л68, Л80, бронзы БрОФ4-0,2, нержавеющей стали Х18Н10Т.
Вид и режим термической обработки зависят от материала упругих элементов и требований к ним.
Винтовые пружины
Из упругих элементов наиболее широко в машиностроении используют винтовые пружины. Они просты и компактны по конструкции, надежны в работе. Их изготавливают путем холодной и горячей навивки проволоки с круглым, квадратным или прямоугольным поперечным сечением (рис. д)
на специальные оправки.
По форме оправки винтовые пружины делятся на цилиндрические, конические и параболоидные, по виду нагружения — на пружины растяжения (рис. а
), сжатия (рис.
б
,
в)
и кручения (рис.
г
).
Основными размерами винтовых пружин являются: диаметр проволоки d;
наружный диаметр
D;
средний диаметр витка пружины
Dср
; шаг витков t; число витков
i
; длина пружины в свободном (ненагруженном) состоянии H (для пружин сжатия и растяжения); индекс пружины
с = Dcp /d.
С увеличением индекса с
жесткость пружины снижается. Рекомендуется принимать индекс
с
= 16…8 при
d<
0,4 мм,
с =
12…6 при
d
= 0,4…2 мм и
с =
10…4 при
d >
2мм.
Расчет пружины заключается в определении диаметра проволоки d,
диаметра пружины
D
и числа витков
i
по заданной внешней нагрузке
F
и рабочему ходу
f
пружины.
Пружины растяжения
навиваются с соприкасающимися витками
(t = d).
Изготавливают такие пружины двух видов: витки, соприкасаясь, не давят друг на друга, и витки, соприкасаясь, создают межвитковое давление. В последнем случае при навивке пружины проволоку скручивают вокруг ее оси. Пружина приобретает некоторое предварительное натяжение и начинает растягиваться только после приложения к ней нагрузки, большей предварительного натяжения.
Крайние витки пружин растяжения отогнуты и служат зацепами. Зацепы, часто являющиеся наиболее слабым местом пружины, имеют в зависимости от способа крепления различные формы.
Пружины сжатия
(см. рис.
б
)изготавливают с зазором между витками. Крайние витки пружины всегда поджимают к соседним виткам и прошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к продольной оси. Это обеспечивает легкую установку пружины на опорной плоскости и центральное, т.е. строго по оси пружины, направление сжимающей нагрузки. Чтобы предотвратить возможную потерю устойчивости (выпучивание) пружины при соотношениях размеров
H/D >
3, ее рекомендуют устанавливать в направляющем стакане или на стержне. Цилиндрические винтовые пружины сжатия получили наибольшее распространение, так как их форма сочетается с формой валиков, стаканов и других тел вращения. Винтовые конические пружины (см. рис.
в)
обладают более высокой устойчивостью, в сжатом состоянии имеют минимальную высоту, но вследствие сложности изготовления применяются редко. Коническая пружина может сжиматься до размера, равного толщине проволоки, так как при сжатии виток входит в виток с небольшим зазором.
Пружины сжатия мало чувствительны к перегрузкам. Витки пружины при перегрузке полностью сжимаются, и пружина принимает вид жесткого цилиндра. Конические пружины сжатия применяют, если необходима нелинейная упругая характеристика.
Если при проектировании механизмов задача может быть решена путем применения пружины растяжения или пружины сжатия, предпочтение отдают последней. При этом получают следующие преимущества: более простая конструкция, чем у пружины растяжения; не требуются ограничители больших деформаций; поломка одного витка не ведет к мгновенному отказу механизма.
Винтовые пружины растяжения — сжатия имеют обычно линейную характеристику. При расчетных нагрузках материалы таких пружин работают в пределах упругих деформаций. Для устойчивости против вибрации и толчков винтовым пружинам в процессе сборки сообщается начальное нагружение ,
т.е. пружину устанавливают в несколько растянутом или сжатом на величину состоянии.
Расчет цилиндрических винтовых пружин растяжения — сжатия выполняют по условиям прочности витков на кручение. Сортамент, механические свойства стальных углеродистых проволок, используемых для изготовления пружин, приведены в справочниках.
Плоские пружины
Плоские прямые пружины применяют, когда необходимы небольшие усилия и перемещения, например в различных контактных устройствах: контактных пружинах реле и переключателей, скользящих токопроводах, натяжных пружинах храповых механизмов. Сечение таких пружин чаще всего прямоугольное. Возможно использование пружин из круглой проволоки. Они удобны, если направление действия силы не определено или может изменяться в процессе работы механизма. Плоские консольные пружины изготавливают из упругих лент (стальных, бронзовых) в виде прямоугольных полосок (рис. а),
причем их ширина
b
намного больше толщины
h.
в г
При конструировании плоским пружинам всегда можно придать удобную для размещения в устройстве форму. Большой недостаток этих пружин — невозможность получения при малых деформациях достаточно больших усилий. Для обеспечения значительных усилий при малом прогибе (малогабаритные реле, виброустойчивые контактные устройства) применяют пружины с предварительным натяжением (рис. б
,
в).
В свободном состоянии пружина
1
имеет изогнутую форму, а после предварительного нагружения нажимной пластиной
2 —
прямую. Пружины с предварительным нагружением воспринимают только одностороннюю нагрузку. Если предварительный прогиб пружины ограничен и требуются большие усилия (пружинящие щетки генератора), то одну пластину заменяют пакетом пластин (рис.
г)
с обеспечением для них свободного относительного сдвига. Количество пластин в пакете пружины определяется расчетом.
Плоскую прямую пружину рассчитывают на деформацию изгиба как консольный стержень, жестко закрепленный одним концом и нагруженный сосредоточенной силой на свободном конце.
Процесс проектирования заключается в подборе такого сочетания размеров l, b и h
пружины (рис.
а
), при котором максимальные напряжения (в месте закрепления) не превышают допускаемых, а прогиб пружины на конце равен заданному перемещению. Полученные значения ширины
b
и толщины
h
приходится корректировать в соответствии с сортаментом лент из принятого пружинного материала. При
b/h
< 3 …5 пружины чувствительны к поперечным нагрузкам, так как жесткость в различных направлениях примерно одинакова. При
b/h >
30…50 пружина может получить заметное закручивание и изгиб в поперечном направлении. Не рекомендуется принимать отношение
l/b<1..2,
при котором ощутимо влияние деформаций в месте закрепления и месте приложения нагрузки. Упругая характеристика таких пружин зависит от конструкции и технологии изготовления элементов крепления. Не рекомендуется принимать
l/b >
30…50, так как при этом возрастают габариты пружин.
Для прямых плоских пружин чаще всего используют стали марок У8А и 60С2А (при действии знакопеременной нагрузки).
Биметаллические плоские пружины
получают путем сварки, пайки или совместной прокатки двух пластин из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Принцип их действия основан на возникновении деформации изгиба при нагреве или охлаждении. При нагреве пружина изгибается в сторону пластины с меньшим коэффициентом линейного расширения, а при охлаждении — в противоположную сторону.
Материалы обеих пластин должны иметь как можно более различающиеся коэффициенты линейного расширения, высокие упругие свойства, хорошо свариваться или спаиваться, обладать высокой пластичностью для прокатки в ленты толщиной 0,2…2,0 мм. При эксплуатации в условиях высокой температуры материалы пластин должны быть и термостойкими. В качестве материала с низким коэффициентом линейного расширения используют железоникелевые стали, например инвар Н36 (36…37 % Ni), платинит Н42. Из материалов с большим коэффициентом линейного расширения используют никель-молибденовую и хромоникелевую стали, латунь.
Применяются биметаллические пружины как чувствительные элементы, реагирующие на изменение температуры в терморегуляторах и электроизмерительных приборах.
Спиральные пружины
представляют собой навитую по спирали ленту, которая создает момент, действующий в плоскости, перпендикулярной к оси пружины. По назначению спиральные пружины разделяют на заводные (в пружинных двигателях) и моментные (в колебательных системах).
Заводные пружины
используют в механизмах отсчета времени, самопишущих приборах. Один конец пружины закреплен на подвижной оси, а другой — на неподвижном элементе.
Пружинные двигатели обычно выполняются с вращающимся барабаном. Заводятся они вращением заводного валика радиусом r.
При закручивании на вал пружина изгибается до соприкосновения всех витков (рис.
б),
накапливая запас потенциальной энергии. При раскручивании движение от барабана сообщается передаточному механизму. Такие пружины обладают рядом преимуществ: удобно компонуются в устройствах; обеспечивают значительный рабочий ход и достаточно высокий КПД (0,6…0,8); надежны в работе и выдерживают большие динамические перегрузки; материал пружины нагружен равномерно по всей длине. В качестве материала используют ленты из сталей У8А, 70С2ХА, бронзы БрОФ6,5-0,15.
Деформации деталей механизмов нежелательны, так как изменение размеров ведет к появлению дополнительных зазоров, натягов, погрешностей взаиморасположения в соединениях, уменьшает точность передачи, увеличивает потери на преодоление сил трения. Но существует большая группа деталей, основным рабочим свойством которых является значительная упругая деформация, полезно используемая для различных целей. Их называют упругими элементами
(УЭ).
Упругие элементы делятся на стержневые и оболочковые. К стержневым
УЭ относятся: винтовые пружины растяжения (рис.
а)
и сжатия (рис.
б),
проволока которых при деформации пружины скручивается; винтовые пружины кручения (рис.
г)
и плоские пружины (рис.
в, д),
материал которых испытывает деформацию изгиба. Материал
оболочковых
УЭ испытывает сложную деформацию. К таким элементам относят: гофрированные трубки — сильфоны (рис.
е);
плоские и гофрированные мембраны (рис.
ж);
мембранные коробки (рис.
з
); трубчатые пружины (рис.
и).
По назначению упругие элементы делятся на силовые, измерительные и элементы упругих связей. Силовые
УЭ применяются для силового замыкания кинематических пар — прижима звеньев в фрикционных, кулачковых и храповых передачах, муфтах, для накопления механической энергии, необходимой для возврата в исходное положение или приведения в движение (пружинные двигатели) подвижных звеньев механизмов.
Измерительные
УЭ используются в манометрах, динамометрах, термометрах и электроизмерительных приборах как чувствительные элементы устройств для измерения давлений, сил и моментов сил, температур и других параметров. Часто функцию измерительного элемента совмещают с функцией токопровода. Тонкие винтовые и спиральные пружины применяют как токоведущие УЭ.
Элементы упругих связей
используют при замене жесткой связи деталей упругой, как резиновые и пружинные амортизаторы (рис.
k
) для виброизоляции устройств и поглощения энергии удара.
По виду деформации упругие элементы делятся на элементы, испытывающие кручение, изгиб и сложную деформацию.
Материалы упругих элементов должны обладать высокими упругими свойствами, высокой прочностью при переменных нагрузках. Отдельные виды элементов должны быть стойкими к коррозии, иметь хорошую электропроводимость и антимагнитность.
Силовые и измерительные элементы изготавливают из высокоуглеродистых пружинных 65Г, 60С2,70С2 и инструментальных У8, У10, У12 сталей.
Контактные и моментные антимагнитные, коррозионно-стойкие пружины (см. рис. в
,
д)
изготавливают из фосфористых БрОФб-0,15, БрОФ4-0,2 и бериллиевой БрБ2 бронз.
Трубчатые манометрические пружины (см. рис. и),
сильфоны(рис.
е
), мембраны и мембранные коробки (рис.
ж, з
) изготавливают из латуней Л62, Л68, Л80, бронзы БрОФ4-0,2, нержавеющей стали Х18Н10Т.
Вид и режим термической обработки зависят от материала упругих элементов и требований к ним.
Винтовые пружины
Из упругих элементов наиболее широко в машиностроении используют винтовые пружины. Они просты и компактны по конструкции, надежны в работе. Их изготавливают путем холодной и горячей навивки проволоки с круглым, квадратным или прямоугольным поперечным сечением (рис. д)
на специальные оправки.
По форме оправки винтовые пружины делятся на цилиндрические, конические и параболоидные, по виду нагружения — на пружины растяжения (рис. а
), сжатия (рис.
б
,
в)
и кручения (рис.
г
).
Основными размерами винтовых пружин являются: диаметр проволоки d;
наружный диаметр
D;
средний диаметр витка пружины
Dср
; шаг витков t; число витков
i
; длина пружины в свободном (ненагруженном) состоянии H (для пружин сжатия и растяжения); индекс пружины
с = Dcp /d.
С увеличением индекса с
жесткость пружины снижается. Рекомендуется принимать индекс
с
= 16…8 при
d<
0,4 мм,
с =
12…6 при
d
= 0,4…2 мм и
с =
10…4 при
d >
2мм.
Расчет пружины заключается в определении диаметра проволоки d,
диаметра пружины
D
и числа витков
i
по заданной внешней нагрузке
F
и рабочему ходу
f
пружины.
Пружины растяжения
навиваются с соприкасающимися витками
(t = d).
Изготавливают такие пружины двух видов: витки, соприкасаясь, не давят друг на друга, и витки, соприкасаясь, создают межвитковое давление. В последнем случае при навивке пружины проволоку скручивают вокруг ее оси. Пружина приобретает некоторое предварительное натяжение и начинает растягиваться только после приложения к ней нагрузки, большей предварительного натяжения.
Крайние витки пружин растяжения отогнуты и служат зацепами. Зацепы, часто являющиеся наиболее слабым местом пружины, имеют в зависимости от способа крепления различные формы.
Пружины сжатия
(см. рис.
б
)изготавливают с зазором между витками. Крайние витки пружины всегда поджимают к соседним виткам и прошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к продольной оси. Это обеспечивает легкую установку пружины на опорной плоскости и центральное, т.е. строго по оси пружины, направление сжимающей нагрузки. Чтобы предотвратить возможную потерю устойчивости (выпучивание) пружины при соотношениях размеров
H/D >
3, ее рекомендуют устанавливать в направляющем стакане или на стержне. Цилиндрические винтовые пружины сжатия получили наибольшее распространение, так как их форма сочетается с формой валиков, стаканов и других тел вращения. Винтовые конические пружины (см. рис.
в)
обладают более высокой устойчивостью, в сжатом состоянии имеют минимальную высоту, но вследствие сложности изготовления применяются редко. Коническая пружина может сжиматься до размера, равного толщине проволоки, так как при сжатии виток входит в виток с небольшим зазором.
Пружины сжатия мало чувствительны к перегрузкам. Витки пружины при перегрузке полностью сжимаются, и пружина принимает вид жесткого цилиндра. Конические пружины сжатия применяют, если необходима нелинейная упругая характеристика.
Если при проектировании механизмов задача может быть решена путем применения пружины растяжения или пружины сжатия, предпочтение отдают последней. При этом получают следующие преимущества: более простая конструкция, чем у пружины растяжения; не требуются ограничители больших деформаций; поломка одного витка не ведет к мгновенному отказу механизма.
Винтовые пружины растяжения — сжатия имеют обычно линейную характеристику. При расчетных нагрузках материалы таких пружин работают в пределах упругих деформаций. Для устойчивости против вибрации и толчков винтовым пружинам в процессе сборки сообщается начальное нагружение ,
т.е. пружину устанавливают в несколько растянутом или сжатом на величину состоянии.
Расчет цилиндрических винтовых пружин растяжения — сжатия выполняют по условиям прочности витков на кручение. Сортамент, механические свойства стальных углеродистых проволок, используемых для изготовления пружин, приведены в справочниках.
Плоские пружины
Плоские прямые пружины применяют, когда необходимы небольшие усилия и перемещения, например в различных контактных устройствах: контактных пружинах реле и переключателей, скользящих токопроводах, натяжных пружинах храповых механизмов. Сечение таких пружин чаще всего прямоугольное. Возможно использование пружин из круглой проволоки. Они удобны, если направление действия силы не определено или может изменяться в процессе работы механизма. Плоские консольные пружины изготавливают из упругих лент (стальных, бронзовых) в виде прямоугольных полосок (рис. а),
причем их ширина
b
намного больше толщины
h.
в г
При конструировании плоским пружинам всегда можно придать удобную для размещения в устройстве форму. Большой недостаток этих пружин — невозможность получения при малых деформациях достаточно больших усилий. Для обеспечения значительных усилий при малом прогибе (малогабаритные реле, виброустойчивые контактные устройства) применяют пружины с предварительным натяжением (рис. б
,
в).
В свободном состоянии пружина
1
имеет изогнутую форму, а после предварительного нагружения нажимной пластиной
2 —
прямую. Пружины с предварительным нагружением воспринимают только одностороннюю нагрузку. Если предварительный прогиб пружины ограничен и требуются большие усилия (пружинящие щетки генератора), то одну пластину заменяют пакетом пластин (рис.
г)
с обеспечением для них свободного относительного сдвига. Количество пластин в пакете пружины определяется расчетом.
Плоскую прямую пружину рассчитывают на деформацию изгиба как консольный стержень, жестко закрепленный одним концом и нагруженный сосредоточенной силой на свободном конце.
Процесс проектирования заключается в подборе такого сочетания размеров l, b и h
пружины (рис.
а
), при котором максимальные напряжения (в месте закрепления) не превышают допускаемых, а прогиб пружины на конце равен заданному перемещению. Полученные значения ширины
b
и толщины
h
приходится корректировать в соответствии с сортаментом лент из принятого пружинного материала. При
b/h
< 3 …5 пружины чувствительны к поперечным нагрузкам, так как жесткость в различных направлениях примерно одинакова. При
b/h >
30…50 пружина может получить заметное закручивание и изгиб в поперечном направлении. Не рекомендуется принимать отношение
l/b<1..2,
при котором ощутимо влияние деформаций в месте закрепления и месте приложения нагрузки. Упругая характеристика таких пружин зависит от конструкции и технологии изготовления элементов крепления. Не рекомендуется принимать
l/b >
30…50, так как при этом возрастают габариты пружин.
Для прямых плоских пружин чаще всего используют стали марок У8А и 60С2А (при действии знакопеременной нагрузки).
Биметаллические плоские пружины
получают путем сварки, пайки или совместной прокатки двух пластин из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Принцип их действия основан на возникновении деформации изгиба при нагреве или охлаждении. При нагреве пружина изгибается в сторону пластины с меньшим коэффициентом линейного расширения, а при охлаждении — в противоположную сторону.
Материалы обеих пластин должны иметь как можно более различающиеся коэффициенты линейного расширения, высокие упругие свойства, хорошо свариваться или спаиваться, обладать высокой пластичностью для прокатки в ленты толщиной 0,2…2,0 мм. При эксплуатации в условиях высокой температуры материалы пластин должны быть и термостойкими. В качестве материала с низким коэффициентом линейного расширения используют железоникелевые стали, например инвар Н36 (36…37 % Ni), платинит Н42. Из материалов с большим коэффициентом линейного расширения используют никель-молибденовую и хромоникелевую стали, латунь.
Применяются биметаллические пружины как чувствительные элементы, реагирующие на изменение температуры в терморегуляторах и электроизмерительных приборах.
Спиральные пружины
представляют собой навитую по спирали ленту, которая создает момент, действующий в плоскости, перпендикулярной к оси пружины. По назначению спиральные пружины разделяют на заводные (в пружинных двигателях) и моментные (в колебательных системах).
Заводные пружины
используют в механизмах отсчета времени, самопишущих приборах. Один конец пружины закреплен на подвижной оси, а другой — на неподвижном элементе.
Пружинные двигатели обычно выполняются с вращающимся барабаном. Заводятся они вращением заводного валика радиусом r.
При закручивании на вал пружина изгибается до соприкосновения всех витков (рис.
б),
накапливая запас потенциальной энергии. При раскручивании движение от барабана сообщается передаточному механизму. Такие пружины обладают рядом преимуществ: удобно компонуются в устройствах; обеспечивают значительный рабочий ход и достаточно высокий КПД (0,6…0,8); надежны в работе и выдерживают большие динамические перегрузки; материал пружины нагружен равномерно по всей длине. В качестве материала используют ленты из сталей У8А, 70С2ХА, бронзы БрОФ6,5-0,15.