Типы пружин

Пружины — это важные механические компоненты, которые хранят и высвобождают энергию, обеспечивая сопротивление силе или крутящему моменту. Они играют важную роль в различных приложениях, от автомобильных систем подвески до потребительских товаров. В этой статье рассматриваются различные типы пружин на основе их приложения нагрузки, характеристик силы-смещения и методов производства.

Классификация по способу приложения нагрузки

Пружины сжатия

Пружины сжатия являются одним из наиболее распространенных типов пружин. Они предназначены для сопротивления сжимающим силам, приложенным в осевом направлении, сохраняя механическую энергию при сжатии и высвобождая ее при снятии нагрузки. Эти пружины имеют широкий спектр применения, включая автомобильные системы подвески, промышленное оборудование и потребительские товары, такие как ручки и мышеловки.

Пружины сжатия обычно изготавливаются из круглой проволоки, свернутой в спиральную форму, с постоянным диаметром по всей длине. Выбор материала зависит от конкретных требований применения, таких как грузоподъемность, коррозионная стойкость и термостойкость. Распространенные материалы включают пружинную сталь, нержавеющую сталь и фосфористую бронзу.

Пружины растяжения

Пружины растяжения, также известные как пружины растяжения, предназначены для сопротивления растягивающим силам, приложенным в осевом направлении. Они накапливают механическую энергию при растяжении и высвобождают ее при снятии нагрузки. Пружины растяжения обычно используются в системах гаражных ворот, сельскохозяйственном оборудовании и тренажерах.

Пружины растяжения изготавливаются путем наматывания проволоки в спиральную форму с крючками или петлями на каждом конце для крепления. Начальное натяжение пружины определяется производственным процессом, который включает растяжение пружины до определенной длины перед термической обработкой.

Пружины кручения

Торсионные пружины предназначены для сопротивления вращательным силам или крутящему моменту, приложенному вокруг их оси. Они накапливают механическую энергию при скручивании и высвобождают ее при снятии крутящего момента. Торсионные пружины используются в различных приложениях, включая дверные петли, автомобильные откидывающиеся сиденья и ролики оконных штор.

Пружины кручения обычно изготавливаются путем наматывания прямоугольной или квадратной проволоки в спиральную форму, при этом концы формируются в специальные формы для крепления. Выбор материала зависит от требуемой жесткости пружины, усталостной долговечности и условий окружающей среды. Обычные материалы включают пружинную сталь и нержавеющую сталь.

Классификация на основе силы и смещения

Линейные пружины

Линейные пружины имеют постоянную жесткость, то есть сила, необходимая для сжатия или растяжения пружины, прямо пропорциональна смещению.

Эта линейная зависимость описывается законом Гука: F = kx,

где:

F — сила,

k — коэффициент жесткости пружины,

х — смещение.

Линейные пружины используются в приложениях, где требуется постоянное соотношение силы и смещения, например, в системах автомобильной подвески и промышленном оборудовании. Обычно они изготавливаются из круглой проволоки, свернутой в спиральную форму, с постоянным диаметром по всей длине.

Пружины с переменной жесткостью

Пружины переменной жесткости, также известные как нелинейные пружины, демонстрируют изменяющуюся жесткость пружины при сжатии или растяжении. Это означает, что сила, необходимая для сжатия или растяжения пружины, изменяется нелинейно со смещением. Пружины переменной жесткости используются в приложениях, где требуется определенный профиль силы-смещения, например, в автомобильных клапанных пружинах и системах подвески внедорожных транспортных средств.

Пружины переменной жесткости могут быть спроектированы путем изменения диаметра витка, шага или диаметра проволоки по длине пружины. Конические пружины и бочкообразные пружины являются примерами пружин переменной жесткости, где диаметр витка изменяется по длине пружины.

Пружины постоянной силы

Пружины постоянного усилия предназначены для обеспечения постоянного выходного усилия в определенном диапазоне движения. Они изготавливаются из предварительно напряженной полосы материала, обычно нержавеющей стали, которая свернута в спираль. По мере растяжения пружины материал разматывается с катушки, поддерживая постоянное усилие во всем диапазоне движения.

Пружины постоянного усилия используются в приложениях, где требуется постоянное усилие, например, в противовесных механизмах, дверных доводчиках и натяжных устройствах. Они обладают такими преимуществами, как компактный размер, длительный срок службы и постоянная производительность в диапазоне движения.

Классификация по способу изготовления

Спиральные пружины

Спиральные пружины являются наиболее распространенным типом пружин, изготавливаемых путем намотки проволоки в спиральную форму. Они могут быть спроектированы как пружины сжатия, растяжения или кручения, в зависимости от требований применения. Спиральные пружины изготавливаются с использованием различных методов, включая горячую навивку, холодную навивку и навивку с ЧПУ.

Выбор метода изготовления зависит от таких факторов, как материал пружины, диаметр проволоки и объем производства. Горячая намотка обычно используется для больших диаметров проволоки и высокопрочных материалов, тогда как холодная намотка используется для меньших диаметров проволоки и менее прочных материалов. Намотка с ЧПУ обеспечивает высокую точность и гибкость, позволяя производить пружины сложной геометрии.

Плоские пружины

Плоские пружины изготавливаются из плоских полос материала, обычно пружинной стали или нержавеющей стали, сформированных в различные формы, такие как листовые пружины, тарельчатые шайбы и волновые пружины. Они предназначены для обеспечения сопротивления изгибающим или сжимающим силам в зависимости от конкретной конфигурации.

Листовые рессоры обычно используются в системах автомобильной подвески, особенно в большегрузных автомобилях, для поддержки веса автомобиля и обеспечения амортизации. Они состоят из нескольких слоев изогнутой пружинной стали, известных как листы, сложенных вместе и соединенных на концах с помощью пружинных скоб.

Тарельчатые шайбы, также известные как тарельчатые пружины, представляют собой конические шайбы, обеспечивающие устойчивость к осевым нагрузкам. Их можно складывать в стопки последовательно или параллельно для достижения желаемых характеристик нагрузки-прогиба, что делает их пригодными для применений в условиях ограниченного пространства и высоких требований к нагрузке.

Волновые пружины изготавливаются путем формирования плоской проволоки в волнообразную форму, обеспечивая сопротивление осевым нагрузкам, занимая при этом минимальное пространство. Они используются в приложениях, где требуются высокие нагрузки и небольшие прогибы, например, в аэрокосмическом и промышленном оборудовании.

Дисковые пружины

Тарельчатые пружины, также известные как пружины Бельвилля, представляют собой конические шайбы, обеспечивающие устойчивость к осевым нагрузкам. Они изготавливаются путем штамповки или ковки плоского круглого диска с определенным углом конуса и внутренним и внешним диаметрами. Тарельчатые пружины могут быть сложены последовательно или параллельно для достижения желаемых характеристик нагрузки-прогиба.

Дисковые пружины предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными спиральными пружинами, включая высокую грузоподъемность, малый прогиб и компактный размер. Они используются в различных областях, например, в тяжелой технике, автомобильных сцеплениях и клапанах, где высокие нагрузки и ограниченное пространство являются критическими факторами.

Обработанные пружины

Обработанные пружины — это пружины, изготовленные по индивидуальному заказу с использованием процессов обработки на станках с ЧПУ, таких как фрезерование, точение и шлифование. Обычно они изготавливаются из цельных прутков или труб из таких материалов, как пружинная сталь, нержавеющая сталь или титан, и могут быть спроектированы для удовлетворения конкретных требований к нагрузке-прогибу.

Обработанные пружины имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами изготовления пружин, включая высокую точность, сложную геометрию и возможность включения таких функций, как монтажные отверстия и резьба. Они используются в специализированных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, медицинские приборы и высокопроизводительное промышленное оборудование.

Формованные пружины

Формованные пружины изготавливаются путем впрыскивания полимерного материала, например, полиуретана или нейлона, в полость формы, имеющую форму желаемой геометрии пружины. Они обладают уникальными свойствами по сравнению с металлическими пружинами, такими как высокая коррозионная стойкость, малый вес и способность гасить вибрации.

Формованные пружины используются в различных приложениях, таких как автомобильные втулки подвески, промышленные виброизоляторы и медицинские приборы. Выбор полимерного материала зависит от таких факторов, как грузоподъемность, термостойкость и химическая совместимость с рабочей средой.

Газовые пружины

Газовые пружины — это тип пружины, которая использует сжатый газ, как правило, азот, для обеспечения сопротивления сжимающим силам. Они состоят из герметичного цилиндра, содержащего поршень и сжатый газ, который оказывает усилие на поршень, когда пружина сжимается.

Газовые пружины обладают рядом преимуществ по сравнению с механическими пружинами, включая регулируемую выходную силу, компактный размер и способность обеспечивать демпфирование. Они используются в различных приложениях, например, в опорах автомобильных капотов и багажников, механизмах регулировки высоты офисных кресел и промышленном оборудовании.

Воздушные рессоры

Воздушные рессоры, также известные как пневматические рессоры, используют сжатый воздух для обеспечения сопротивления сжимающим силам. Они состоят из гибкого сильфона или диафрагмы, заполненной сжатым воздухом, который расширяется и сжимается по мере того, как пружина нагружается и разгружается.

Воздушные рессоры предлагают ряд преимуществ по сравнению с механическими рессорами, включая регулируемую жесткость, возможности выравнивания нагрузки и виброизоляцию. Они используются в различных приложениях, таких как автомобильные системы пневматической подвески, промышленные виброизоляционные опоры и сельскохозяйственное оборудование.

Листовые рессоры

Листовые рессоры — это тип плоских пружин, обычно используемых в автомобильных системах подвески, особенно в большегрузных автомобилях. Они состоят из нескольких слоев изогнутой пружинной стали, известных как листы, сложенных вместе и соединенных на концах с помощью пружинных скоб.

Листовые рессоры предназначены для поддержки веса автомобиля и обеспечивают амортизацию, помогая улучшить комфорт езды и управляемость. Они могут быть сконфигурированы различными способами, такими как полуэллиптическая, четвертьэллиптическая или консольная, в зависимости от конкретных требований применения.

Выбор конструкции листовой рессоры зависит от таких факторов, как грузоподъемность, распределение веса транспортного средства и доступное пространство. Листовые рессоры известны своей прочностью, грузоподъемностью и способностью обеспечивать боковую устойчивость, что делает их пригодными для использования в тяжелых условиях, таких как коммерческие грузовики и внедорожные транспортные средства.

Винтовые пружины

Винтовые пружины — это тип спиральной пружины, изготовленной путем намотки проволоки в спиральную форму с постоянным или переменным диаметром. Они могут быть спроектированы как пружины сжатия, растяжения или кручения, в зависимости от требований применения.

Основные принципы пружины

Пружины — это механические устройства, которые хранят и высвобождают энергию на основе принципов упругости и закона Гука. Когда к пружине прикладывается сила, она деформируется, сохраняя потенциальную энергию в форме энергии деформации. Когда сила снимается, пружина возвращается в свою первоначальную форму, высвобождая накопленную энергию.

Связь между приложенной силой и результирующей деформацией описывается законом Гука, F = kx, где F — сила, k — константа пружины, а x — деформация. Константа пружины, также известная как жесткость пружины, определяет жесткость пружины и зависит от таких факторов, как свойства материала, площадь поперечного сечения и длина пружины.

Пружины предназначены для работы в пределах их предела упругости, где деформация прямо пропорциональна приложенной силе. Если сила превышает предел упругости, пружина может подвергнуться постоянной деформации или выйти из строя, что поставит под угрозу ее производительность и безопасность.

Энергоемкость пружины определяется ее геометрией, свойствами материала и приложенной нагрузкой. Максимальное энергосбережение происходит, когда пружина сжимается или растягивается до своей твердой высоты или максимального растяжения соответственно.