Стальные витые упругие элементы (пружины).

В подвеске трамвая применяются цилиндрические винтовые пружины, представляющие собой упругую деталь изготовленную навивкой в горячем состоянии из пружинной стали круглого сечения.

Применяются однорядные и двухрядные цилиндрические пружины.

Последние представляют собой комбинированный упругий элемент из двух вставленных одна в одну пружин, работающих под нагрузкой, как параллельно включенные упругие звенья. Наружная и внутренняя пружины двухрядной пружины навиваются в разные стороны, чтобы при сжатии витки внутренней пружины не зажимались витками наружной пружины. Пружины изготавливаются из стали 55С2 или 60С2 круглого сечения. Геометрическими характеристиками цилиндрических витых пружин являются:

• диаметр прутка d;

• диаметр навивки (средний диаметр витка) D;

• полные и рабочие числа витков;

• высота в свободном (ненагруженном) состоянии ;

• высота при сжатии до соприкосновения витков .

Рисунок 35. Схемы пружинных элементов

Крайние витки пружины имеют плоские опорные поверхности перпендикулярные ее оси. Длина оттянутого конца пружины длины средней окружности витка пружины. Оттянутые концы пружины не участвуют в аботе. Поэтому число рабочих витков пружины меньше ее полного числа на витка.

Диаметр прутка пружины, применяемых в подрессоривании трамваев принимается от 16 до 40 мм., диаметр навивки при отношении . Число витков от 4 до 10. Высота от 140 до 360 мм. При отношении . Отношение и называется индексом пружины. Оно определяет использование материала пружин, причем при прочих равных условиях напряжение в пружине тем больше, чем меньше индекс. Отношение характеризует устойчивость пружины при внецентренном сжатии. При появляется опасность одностороннего выпучивания пружины под нагрузкой. Зависимость между прогибом и нагрузкой (характеристика) пружины и ее гибкостью определяются выражениями. ; ; , где - модуль сдвига 80…85 ГН/м.

Для повышения прочности и долговечности пружин выполняют:

1. устраняют или максимально сокращают источники концентрации напряжения (закаты, раковины, трещины и т д).

2. Избегают обезуглероживания поверхностного слоя пружин при изготовлении и термообработке, которые снижают предел выносливости на 20…40%.

3. Повышает предел выносливости наклепом поверхности дробью.

4. Заменяют пружины с большим диаметром прутка, комбинированными двух или многорядными пружинами с более тонкими прутками, имеющими такую же величину общей жесткости, учитывая влияние ассштабного фактора на предел выносливости.

5. Применяют заневоленные пружины.

Материал витой пружины под действием силовой нагрузки работает на скручивание и срез. Зависимость от осевой нагрузки однородной пружины из прутка круглого сечения или , где .

Коэффициент Чернышева, учитывающий добавочное напряжение в пружине под действием перерезывающей силы. Структура коэффициента Чернышева показывает влияние перерезывающей силы на прочность пружины и тем меньше, чем больше индекс пружины. Из этих соображений рекомендуется принимать . Свободная высота пружины определяется , где - высота пружины при сжатии.

- прогиб пружины под максимальной нагрузкой.

При определении свободной высоты пружины необходимо учитывать:

1. для избежания выпучивания пружины рекомендуется ;

2. угол навивки пружины не должен превышать 10 .

Расчет пружины ведется в следующем порядке:

1. подсчитываются величины и ;

2. задаются индексом пружины и вычисляют соответствующий коэффициент Чернышева;

3. принимают и ;

4. определяют число рабочих витков пружины;

5. при принятых и ;

6. определяют диаметр прутка ;

7. подсчитывают напряжения в пружине и прогибы ее под характерными нагрузками кузова;

8. проверяют установку пружины по габаритным ограничениям.

Если по расчетам однорядная пружина получила слишком большой или диаметр витка , их заменяют двухрядными пружинами. Размеры двухрядных пружин устанавливают на основе уравнений эквивалентных обоих пружин, то есть равенство их прогибов и напряжений по заданной нагрузке . Из равенстве прогибов однорядной и двухрядной пружин получим:

, где индексы 1 и 2 относятся к наружной и внутренней пружинам комбинированной пружины, а без индексов относятся к однородной пружине. Из условия равенства добавочных напряжений от перерезывающих сил .

При равенстве нагрузок и напряжений на кручение ,

Откуда .

В этих формулах - нагрузки однорядной и двухрядной пружин. Требования обеспечения радиального зазора между внутренней и наружной пружинами определяется:

.

Решение приведенных уравнений приводим к формулам для определения размеров двухрядной пружины:

;

;

;

;

;

;

;

;

Коэффициенты, указанные в формулах определяются следующими уравнениями:

; ;

; ;

;

.

Радиальный зазор , между внутренней и наружной пружинами в расчетах принимается равным от 3 до 5 мм.

Кроме вертикальной нагрузки в подвеске трамвая пружины могут работать и на горизонтальные нагрузки, связанные с действием боковых сил . Прочность пружины проверяется по формуле:

;

-высота пружины.

Сдвиг верхнего торца пружины, относительно нижнего, под действием боковой силы определяется соотношением:

;

- расчетная боковая нагрузка на пружину при движении трамвая в кривых участках пути.

- расчетная вертикальная нагрузка пружины с учетом опрокидывающего действия боковых сил и добавочной динамической нагрузки, связанной с ударами колес о неровности пути.

- угол крена кузова.

;

- высота пружины под максимальной вертикальной нагрузкой.

- гибкость пружины.

;

- коэффициент, зависящий от угла подъема витка.

- коэффициент Пуансона. В расчетах 0,25.

;

- угол подъема витка пружины.

;

- коэффициент Чернышева.