Применение пружин в технике
Применение упругих элементов в качестве пружин имеет давнюю историю со времен возникновения человеческой цивилизации. Одним из первых пружинных устройств в руках человека, по-видимому, был лук со стрелами. Древко лука служило преобразователем механической работы натяжения тетивы в кинетическую энергию движения стрелы за счет промежуточной стадии накопления энергии упругой деформации изгиба. В этом заключается основа механизма действия большинства пружин. С древности аналогичные устройства использовались в метательных машинах, а позже листовые пружины в виде рессор повысили комфортабельность передвижения пассажиров в колесных экипажах. Позднее были изобретены спиральные пружины, что открыло возможность построения часов и других приборов, использующих аккумулированную энергию упругой деформации для продолжительной работы механической системы. Известно, например, что Роберт Гук открыл свой знаменитый закон, исследуя деформацию часовых пружин.
В настоящее время пружины различных типов широко распространены в технике и быту, работая в широком диапазоне изменения механических, температурных и других параметров.
Пружины разделяют по конструкции на спиральные (витые, многожильные витые и др.), стержневые (торсионы), тарельчатые, кольцевые, пластинчатые (листовые) и других типов. По виду нагружения: пружины сжатия, растяжения, кручения, изгиба и комбинированного действия. Некоторые типы пружин приведены на рисунке 1.
а – пружина сжатия; б – тарельчатая; в – кручения; г – растяжения
Рисунок 1 – Типы пружин
В свою очередь, наиболее распространенные спиральные пружины можно также подразделить на цилиндрические, конические, плоские и фасонные. Различают пружины и по форме сечения прутка: круг, квадрат, прямоугольник и другие, а также переменного сечения.
В машиностроении в качестве материала пружин применяют качественную рессорно-пружинную горячекатаную сталь согласно ГОСТ 7419-55. Листовые рессоры изготавливают из сталей 65С2, 60С2, 60С2А и 60С2Н2А. Для автомобильных рессор (ГОСТ 3356-54) используют стали 50ХГ, 50ХГА. По мере развития технического прогресса для пружинных сталей применяются всё новые добавки, совершенствуются конструкции и технологии изготовления пружин.
В технике и на транспорте листовые пружины, работающие на изгиб, всё больше вытесняются более компактными и энергоёмкими спиральными пружинами, работающими на кручение и сдвиг. Так, масса пружин подвески автомобиля в 2,5…3 раза меньше таких же по грузоподъемности рессор. Пружины используются для силового замыкания (т.е. возврата и беззазорной работы механизмов), аккумулирования упругой энергии (часы), нормирования усилий (при которых срабатывают датчики или ограничители), регулирования частоты колебаний (маятник часов), а также как демпферы и поглотители ударов (например, от неровностей дороги, замедление отката пушки после выстрела, снижение вибраций на ручках у бензопилы).
Работа внешних нагрузок на перемещениях деталей с большими значениями амплитуды и малым периодом воздействия трансформируется с помощью пружин в энергию колебаний с большой величиной периода и малой амплитудой. Подобное преобразование осуществляется за счет периода промежуточного накопления энергии упругой деформации пружины. Простым примером может служить трансформация больших по амплитуде (и малых по времени) воздействий неровностей дороги в незначительные по амплитуде и растянутые во времени колебания массы автомобиля за счет демпфирующего действия пружин и рессор подвески (а также амортизаторов). Весьма существенной при этом является общая величина преобразуемой энергии механических воздействий, т.е. энергоемкость пружин. Выгодными в этом плане являются витые цилиндрические пружины, работающие на кручение и сдвиг и запасающие значительную энергию упругой деформации в компактно расположенной спирали.
Цилиндрические спиральные пружины составляют 3…8 % от общего числа деталей на автотранспорте, причем в современных конструкциях доля их возрастает. Мировое автомобилестроение во многом определяет уровень развития техники, т.к. использует наиболее совершенные технологии. Поэтому значимым и важным следует считать системный подход к конструкциям, технологии изготовления и применению пружинных элементов.
В карбюраторе «Озон» автомобиля ВАЗ-2106, например, используется пять пружин, а в карбюраторах иностранных двигателей их число (машины 1985-го и более поздних годов) обычно превышает 20. Это связано с усложнением систем топливоподачи, позволяющих уменьшить расход топлива и снизить токсичность выхлопа.
Цилиндрические пружины с переменным шагом и диаметром широко используются в мировой практике автомобилестроения. Такие пружины позволяют получать характеристики с линейным нарастанием усилия при сжатии, поэтому эффективно используются в подвеске.
При полном сжатии часть витков выключается из работы и жесткость пружины возрастает. В итоге при увеличении загруженности машины увеличивается и жесткость подвески. Для обычного типа пружин такого эффекта можно было бы достичь только увеличением числа пружин и рессор. Пружины такого типа установлены на всех машинах «Volvo» и «Mercedes-Benz».
Торсионы применяют в подвеске транспортных средств военного и гражданского назначения (БМП-1, БМП-2, танки Т-72 и Т-80; ЗАЗ-965, 966, 968), т.е. преимущественно в тех случаях, когда требуется повышенная надежность и малые габариты пружинных устройств.
Спиральные плоские пружины используются обычно в системах автоматического регулирования двигателя, в частности, в автомате «пуска-прогрева» японских карбюраторов, спидометрах и других стрелочных приборах.
В общем случае ознакомление с типами, назначением, характеристиками и условиями работы пружин, методикой их расчета и испытания, является важным элементом при обучении студентов механических, а особенно транспортных специальностей.