Пружина

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Витая цилиндрическая пружина растяжения.

Пружина — упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.

История[править | править код]

Исторически первыми упругими элементами применяемыми человеком считаются различные бытовые пинцеты и прищепки-зажимы, луки и удочки.

Теория[править | править код]

Общий принцип функционирования[править | править код]

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию. Волновые пружины сжатия подобны множеству последовательно/параллельно соединённых рессор, работающих на изгиб.

Пружины и дефиниция силы[править | править код]

В физике не существует консенсусного определения понятия «сила». Один из методически корректных (в том смысле, что не искажает ситуацию и не создаёт дефиниционного порочного круга) подходов состоит в том, что дача определения заменяется изложением не опирающегося на какие-либо законы (например, на второй закон Ньютона) способа измерения сил[1]. Если некая оговорённым образом изготовленная пружина при конкретном её растяжении объявлена источником единичной силы , принцип суперпозиции позволит выставлять значения силы от 0 до при наличии двух «пружин », размещённых под углом , а любая исследуемая сила может быть измерена уравновешением её подбором через варьирование (при наличии большего числа пружин доступный диапазон расширяется). Получается, что пружины играют роль инструмента при фундаментальных измерениях силы.

Соотношение деформация—сила[править | править код]

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. То же, как правило, относится и к пружинам:

,

где — растяжение/сжатие, а — жёсткость. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию. Многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Для измерений, описанных в предыдущем подразделе, выполнение или невыполнение закона Гука непринципиально, достаточно лишь свойства упругости, то есть возвращаемости пружины к исходному состоянию после снятия деформирующей нагрузки.

Оценка коэффициента жёсткости[править | править код]

Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости

где: dD — диаметр проволоки; dF — диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); n — число витков; : Gмодуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа, для меди ~ 45 ГПа).

Виды пружин[править | править код]

Витая цилиндрическая пружина сжатия из чугуна.
Тарельчатые пружины
Место установки тарельчатых пружин

По виду воспринимаемой нагрузки:

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

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 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, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины).Они  имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения — могут быть двух видов:

В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

По конструкции:

Основные параметры пружин[править | править код]

Силовые характеристики пружин: 1 — растущая, 2 — линейная, 3 — падающая, 4 — постоянная, 5 — ступенчатая

Для витых цилиндрических и конических:

  • количество витков
  • шаг витка
  • диаметр проволоки
  • предельно воспринимаемая нагрузка
  • линейная зависимость между деформацией (осадкой) пружины и нагрузкой, приложенной к ней

Для волновых:

  • сечение ленты
  • число витков
  • число волн на виток
  • коэффициент жёсткости
  • предельная нагрузка

также усталостные характеристики материалов.

Материал и технология изготовления[править | править код]

Историческая навивочная машина в музее Бордесхольма

Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

Материал различных резин имеет упругие свойства не требующие придания ей особой формы и часто применяется в прямом виде, однако из-за менее определённых характеристик в точных машинах используется реже.

Стальные пружины общего назначения изготавливают из высокоуглеродистых сталей,(У9А-У12А, 65, 70), легированных марганцем, кремнием, ванадием (65Г, 60С2А, 65С2ВА). Для пружин, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь (12Х18Н10Т), бериллиевую бронзу (БрБ-2), кремнемарганцевую бронзу (БрКМц3-1), оловянноцинковую бронзу (БрОЦ-4-3), титановые и никелевые сплавы, чугуны.

Небольшие пружины можно навивать из готовой проволоки, в то время как мощные изготавливаются из отожжённой стали и закаляются уже после формовки.

Применение пружин[править | править код]

Одна из самых известных пружин — кольцо для ключей
Качалка на пружине — часто встречающийся атрибут городских детских площадок

Пружина — один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

В мягкой мебели и мебельных петлях и лифтах, в кнопках-застёжках, в карабинах, пружинных булавках, пружинных весах, отбойных молотках, в современных рельсовых скреплениях, в сцеплении, в механизмах часов, простых механических автоматах. Гидравлическая аппаратура не мыслима без пружин, упругость необходима для работы кнопок и клавиш управляющих устройств, спусковых механизмов и взрывателей.

В канцелярских товарах[править | править код]

В строительстве[править | править код]

В пресс-формах и штампах[править | править код]

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[править | править код]

  • 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[править | править код]

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

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. И. Бутиков, А. С .Кондратьев. § 16. Сила — мера взаимодействия // Физика для углубленного изучения 1. Механика. — С. 88—90.

Литература[править | править код]

  • Справочные таблицы по деталям машин. — М.: Машиностроение, 1956.
  • Техническая энциклопедия / Л. К. Мартенс. — М.: Советская энциклопедия, 1932. — Т. 18. — С. 424-464. — 898 с.
  • Л. Е. Андреева. Упругие элементы приборов / В. И. Феодосьев. — М.: Машиностроение, 1962. — 456 с.