В этой статье я расскажу вам о основных типах, функциях, материалах, применении, преимуществах и недостатках пружин. Итак, давайте углубимся в статью и начнем с определения пружины.

Пружина - упругий элемент один из самых широко применяемых в конструкциях, приборах и различных механизмах, основная функция которого - отклоняться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму при снятии нагрузки - отдающая или поглощающая механическую энергию. Он также используется для хранения энергии - накапливающая.

Виды пружин.

По виду воспринимаемой нагрузки:

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. Проволочная пружина с крючками или кольцами на концах, которые позволяют пружине удерживать объект, который будет раздвигать витки пружины за счет добавления силы. Когда приложена внешняя сила, компоненты раздвигаются, и эти пружины пытаются вернуть эти компоненты в исходное положение.

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. Пружины сжатия находят применение в широком спектре промышленных применений из-за их способности удерживать и отдавать энергию без сложных деталей или механизмов. Достоинством такого упругого элемента является его компактность. Внутри витков пружины можно разместить амортизатор, ограничитель хода или направляющую трубу свечной подвески.

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 —- это особый тип пружин, которые сильно сопротивляются вращающим силам, известным как крутящий момент. Могут быть двух видов:

• торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
• спиральные пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

Проволочные спиральные пружины с прямыми проволоками на концах образуют ножки, которые позволяют приложить к ним вращающую силу и создавать крутящий момент.

Двойные пружины кручения имеют левую и правую спиральные секции, соединенные вместе. Левая и правая секции спроектированы отдельно, а общий прилагаемый крутящий момент рассчитывается как сумма двух. Они могут удерживать механизм на месте статически, отклоняя ножки по центральной оси его корпуса.

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

Пружины можно разделить на различные типы по конструкции, здесь в этом разделе я собираюсь упомянуть некоторые из наиболее широко используемых.

По конструкции:

• прямые витые цилиндрические - используется в подвеске мотоцикла или железнодорожного вагона. В этих пружинах все витки имеют одинаковый диаметр. Упругий элемент в виде пружины состоит из одной детали, поэтому отсутствует трение, присущее листам рессоры. Благодаря этому пружина не нуждается в каком-либо уходе в период эксплуатации. ;

• выпуклые пружины (т. е. бочкообразные пружины) имеют витки большего диаметра в середине пружины и витки меньшего диаметра на обоих концах. Такая конструкция позволяет виткам вставляться друг в друга при сжатии пружины. Производители используют выпуклые пружины в тех случаях, когда требуется большая устойчивость и устойчивость к колебаниям при разжиме пружины. В большинстве случаев они используются в автомобильной, мебельной и игрушечной промышленности.
• витые конические - используется в электрическом или электронном оборудовании, садовых секаторах и т. Д. Пружины сжатия с переменным внешним диаметром, которые придают корпусу пружины коническую форму. Один конец имеет больший диаметр, чем другой, и витки по всей пружине обеспечивают постепенное сужение или изменение размера. Такое изделие применяется в том случае, если на него дополнительно ложиться поддерживающая функция. Оно не только срабатывает на возврат при деформации, но и работает как опора. На практике вы можете увидеть этот тип пружины в отсеке для батареек пульта дистанционного управления или настенных часов, на дорожных классических велосипедах, где они поддерживают сидение;

• спиральные - имеют форму ленты закрученной в спираль. Когда компоненты начинают вращаться вокруг центра пружины, спиральная пружина оказывает равное усилие, чтобы вернуть их в исходное положение. Именно такие пружины применяются в часовых механизмах, работающих на заводе без использования электрического источника энергии. Также их используют в ручных стартерах бензопил, мотокос для возврата шнура обратно и т.п.;

• пластинчатые бывают разных форм и размеров в зависимости от области применения. Они находит свое применение в таких изделиях как листовые рессоры. Эти пружины не имеют стандартной формы или размера. Они производятся согласно требованиям различных функций. По сравнению с пружинами из круглой проволоки, пружины плоской формы имеют прочную конструкцию и могут выдерживать высокие ударные нагрузки.

• тарельчатые - представляют собой шайбы конической формы, удерживаемые вместе болтом или трубкой, имеющая характеристики пружины. Это неплоская коническая пружина с кожухом, которая обычно нагружается в осевом направлении. Пружина этого типа может оказывать постоянное давление по всей площади соприкосновения а также обеспечивает высокую нагрузку на небольших участках. Его можно использовать там, где быстро происходит тепловое расширение или сжатие - получил широкое распространение в механизмах рулевых реек большинства автомобилей.

• волновые - представляет собой синусоидальную металлическую ленту, навитую ребром по окружности заданного диаметра (обычно от 5 мм до 3000 мм). В зависимости от назначения, выполняется одновитковой или многовитковой. Она навивается по кругу, как и винтовые изделия. Однако благодаря волнообразной укладки при сжатии, она воздействует обратно одинаково по всей плоскости без стремления уйти в сторону. Такое ее качество важно при изготовлении точных механизмов. Волновой элемент также может изготавливаться  в виде незамкнутого кольца или тарельчатой пружины с синусоидой.

• торсионные - эти пружины подвергаются напряжению изгиба вместо напряжения скручивания и способны накапливать и высвобождать угловую энергию. Широко применяются торсионные подвески на военной технике и машинах высокой проходимости;
• специальные - проволока нестандартной формы, отвечающая требованиям конкретного устройства для его надлежащего функционирования.

Основные параметры при выборе пружин

Для витых цилиндрических и конических:

• внешний диаметр пружины. При прочих равных показателях чем больше диаметр — тем ниже жесткость.
• количество витков
• шаг витка
• диаметр проволоки
• воспринимаемая нагрузка (минимальная рабочая F1, максимальная рабочая F2 и предельная F3 силы пружины измеряются в Ньютонах.
• линейная зависимость в графике 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.

Направление навивки

• Правое
• Левое

Отделка: цинкование, окраска эмаль, хим.окс. промасливанием, анодирование, электрополировка, пассивирование и др.

Термическая обработка: После навивки пружины могут также пройти процедуры закалки и отпуска для снятия напряжения металла, что улучшает прочность и эксплуатационные качества готового продукта. Однако этапы термическая обработка и отделка не являются обязательными.

Одним из самых важных параметров при выборе пружины является коэффициент ее жесткости и воспринимаемая нагрузка. Он определяет, какое усилие требуется для сжатия или растяжения готового изделия.

Если пружина будет подходить к механизму по длине и диаметру, но при этом для ее деформации нужно значительно большее усилие, чем требуется, то система не сможет работать. По сути, развиваемое прижимное усилие не способно вызвать отклик упругости. Если же наоборот жесткости пружины окажется недостаточно, то растянувшись под нагрузкой, она не вернется обратно. Аналогичная ситуация будет и при сжатии.

Материал пружины.

Пружинные материалы:

Для производства пружин применяется специализированная проволока, имеющая повышенные параметры упругости. Из нее делают все виды пружин, кроме тарельчатых. Последние изготавливаются путем штамповки из листовой пружинной стали.

Пружины изготавливаются из следующих материалов:

Волоченная углеродистая проволока: это пружины общего назначения, где нам нужна низкотемпературная стойкость и низкое напряжение, мы можем использовать эти типы пружинных материалов.

Легированная и нержавеющая проволока: В настоящее время нержавеющая сталь широко используется для изготовления пружин.

Медь, алюминии, магний, цинк, никель, свинец, титан, олово и их сплавы, используют в промышленности в случаях, когда применение черных металлов и их сплавов нецелесообразно или невозможно.

Бронза: эти типы пружин используются в электротехнической промышленности, поскольку материал обладает хорошей электропроводностью и хорошей устойчивостью к коррозии.

Графитовая эпоксидная смола: используется в высокопрочных пружинах, таких как листовая рессора.

Углеродная эпоксидная смола: изготовленая из углеродного волокна и способная выдерживать высокие нагрузки, этот материал также используется в высокопрочных устройствах, таких как автомобили. Основой подобных моделей является все же стекловолокно – именно из него выполняется стержень пружины, который затем дополнительно усиливается углеродистой эпоксидной смолой и сворачивается в спиралевидную заготовку. Кольца будущего изделия покрываются еще одним слоем стекловолоконных нитей, а потом изделие запекается при высокой температуре.
Подобная технология изготовления требует гораздо меньше ресурсов, нежели изготовление стальных аналогов.

Проектирование пружины в КОМПАС-Spring.

Прикладная библиотека КОМПАС-Spring функционирует в среде КОМПАС 3D и  обеспечивает выполнение проектного или проверочного расчетов цилиндрических винтовых пружин растяжения и сжатия, а также тарельчатых пружин и пружин кручения.Pасчет выполняется пpи минимальном количестве исходных данных и гаpантиpует получение необходимых конструктору паpаметpов пpужины пpи ее минимальной массе. Результаты расчета могут быть сохранены для последующего выполнения построения или распечатаны. Как показывает практика пользователей, КОМПАС-Spring позволяет в 15–20 раз повысить скорость проектирования пружин и выпуска документации на них

В основу приложения положены следующие методики расчета:

• пружины сжатия и растяжения — ГОСТ 13764-86, ГОСТ 13765-86;
• тарельчатые пружины — ГОСТ 3057-90;
• пружины кручения — методика из книги В.И. Анурьев ”Справочник конструктора-машиностроителя” том 3;
• конические и фасонные пружины — методика из книги С. Д. Пономарёв, Л. Е. Андреева «Расчет упругих элементов машин и приборов».

В результате проектного расчета система предлагает множество решений, удовлетворяющих исходным данным, из которых инженер конструктор может выбрать оптимальное по одному или нескольким критериям.

Основные документы, регламентирующие изготовление пружин:
- Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения ГОСТ 13764-86, ГОСТ 13767-86 - ГОСТ 13776-86, ГОСТ 16118-70
- Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из специальных сталей и сплавов ГОСТ Р 50753-95;
- Пружины цилиндрические винтовые для ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог ГОСТ 1452-2003;
- Пружины тарельчатые ( общие технические условия ) ГОСТ 3057-90
Пружины изготавливаются из следующих материалов:
- Проволока стальная углеродистая пружинная ГОСТ 9389-75 І, ІІ, ІІІ классов прочности диаметром 0,2-10,0 мм;
- Проволока стальная легированная пружинная ГОСТ 14963-78 для горячей и холодной навивки сталь 60С2А, 50-51ХФА диаметром 3,0-12,0 мм;
- Проволока из презиционных сплавов для упругих элементов ГОСТ 14118-85 диаметром 0,2-7,0 мм;
- Проволока из высоколегированной коррозионностойкой и жаростойкой стали ГОСТ 18143-72 диаметром 0,3-6,0 мм;
- Проволока стальная для механических пружин холоднотянутая из углеродистой стали ГОСТ Р 50567-93 диаметром 0,2-20,0 мм;
- Проволока из бериллиевой бронзы ГОСТ 15834-77 диаметром 0,2-12,0 мм;
- Проволока из кремнемарганцовой бронзы ГОСТ 5222-72 диаметром 0,2-10,0 мм;
- Проволока из оловянно-цинковой бронзы ГОСТ 5221-2008 диаметром 0,2-12,0 мм;
- Прутки из прецизионных сплавов для упругих элементов ГОСТ 14119-85 диаметром 1,0-30,0 мм;
- Проволока пружинная нержавеющая, жаропрочная, коррозионно-стойкая: 12Х18Н10Т по ТУ 3-1002-77, ХН77ТЮР по ТУ 3-825-80.

Давай дружить! Если вам нужна помощь в подборе готовой пружины или проектировании нестандартной, вы можете обратиться удобным способом через сообщения.

Для тех, кто копает глубже и хочет знать больше. Нажимайте подписаться. Если у вас есть, что добавить по теме, не стесняйтесь. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, мысли, дополнения и всё такое прочее, то добро пожаловать в комментарии к этой записи.

Желаю бодрости духа и сил, вдохновения и прекрасного настроения, искренних улыбок и приятных эмоций.`