Типы пружин

Пружина- упругий элемент, предназначенный для передачи упруго-поступательного (вращательного) движения узлам и механизмам, а также, для гашения колебаний металлоконструкций и оборудования (виброопоры).

Различаю следующие типы пружин:
по конструкции – цилиндрические пружины; конические пружины; тарельчатые пружины; спиральные пружины; пластинчатые пружины, рессоры; торсионы.
по типам передачи упругой деформации: пружины растяжения, пружины сжатия; пружины кручения; пружины изгиба.

Пружины растяжения —как правило, имеют плотно прилагающие (без шага) витки и увеличивают свою длину под воздействием нагрузки (растягиваются) приложенной к специально сформированным зацепам разнообразной формы либо за счет установки внутренних втулок плотно вкручиваемых в пружину. Нагрузка прикладывается вдоль оси пружины (параллельно)

Пружины сжатия- характеризуются значительным расстоянием между витками (шаг пружины), которое уменьшается под воздействием нагрузки- пружина упруго деформируются (сжимаются). Крайние витки пружин сжатия имеют специально обработанную опорную поверхность (торцовка) для равномерного распределения усилия по оси пружины. В некоторых случаях, когда отношение высоты пружины в свободном состоянии к ее наружному диаметру превышает 4 единицы, применяют специальные оправки или стаканы для правильной центровки пружин. Нагрузка прикладывается вдоль оси пружины (параллельно)

Пружины кручения — имеют схожую конструкцию с ранее описанными типами, при этом, усилие прилагается перпендикулярно к оси пружины за счет специально сформированных зацепов, закручивая либо раскручивая ее.

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

Расчет пружин

Проверочный расчет пружин на соответствие силовых характеристик, заявленных в технической документации, расчетным — является неотъемлемой частью процесса изготовления. Также, проверяется соответствие максимальных касательных напряжений- допускаемым для данного типа металла. Поскольку, в случае их превышения упругая деформация переходит в пластическую, пружина «садится растягивается» по высоте- для пружин сжатия или не сохраняет заданную геометрическую форму и взаимное расположение зацепов.
В соответствии с ГОСТ 13764-86 приведены рекомендации по выбору пружинных сталей и допускаемых напряжений кручения при максимальной деформации пружины.

Класс пружин	Разряд пружин	Вид пружин	Сила пружины при максимальной деформации F₃,H	Диаметр проволоки (прутка) d, мм	Марка стали
I	1	Одножильные сжатия и растяжения	1,00-850	0,2-5,0	По ГОСТ 1050-88 и ГОСТ 1435-90
	2		1,00-800
			22,4-800	1,2-5,0	51ХФА-Ш по ГОСТ 14959-79
	3		140—6000	3,0-12,0	60С2А; 65С2ВА; 70С3А; по ГОСТ 14959-79
	3		140—6000	3,0-12,0	51ХФА по ГОСТ 14959-79
	4		2800—180000	14—70	60С2А; 65С2ВА; 70СЗА; 60С2; 60С2ХЛ; 60С2ХФА; 51ХФА по ГОСТ 14959-79
II	1	Одножильные сжатия и растяжения	1,50—1400	0,2—5,0	По ГОСТ 1050-88 и ГОСТ 1435-90
	2		1,25-1250
			37,5—1250	1,2—5,0	51ХФА—Ш по ГОСТ 14959-79
	3		236-10000	3,0—12,0	60С2А; 65С2ВА по ГОСТ 14969—79
					65Г по ГОСТ 14959-79
					51ХФА по ГОСТ 14959-79
	4		4500-280000	14—70	60С2А; 60С2; 65С2ВА; 70СЗА; 51ХФА: 65Г; 60С2ХФА; 60С2ХА по ГОСТ 14959-79
III	1	Трех жильные сжатия	12,5—1000	0,3—2,8	По ГОСТ 1050-88 и ГОСТ 1435-90
	2	Одножильные сжатия	315-14000	3,0-12,0	60С2А; 65С2ВА; 70СЗА по ГОСТ 14959-79
	3	Одножильные сжатия	6000-20000	14—25	60С2А ; 65С2ВА; 70СЗА по ГОСТ 14959-79

Стандарт на заготовку	Твердость после термообработки HRCэ	Максимальное касательное напряжение t₃, МПа	Требование к упрочнению	Стандарт на основные параметры витков пружин
Проволока класса I по ГОСТ 9389-75		0,32Rm		ГОСТ 13766-86
Проволока класса II н IIА по ГОСТ 9389-75	___	0,32Rm	Для повышения циклической стойкости рекомендуется упрочнение дробью	ГОСТ 13767-86
Проволока по ГОСТ 1071-81		0,32Rm		ГОСТ 13767-86
Проволока по ГОСТ 14963-78	47,5 … 53,5	560		ГОСТ 13768-86
Проволока по ГОСТ 14963-78	45,5 … 51,5			ГОСТ 13768-86
Сталь горячекатаная круглая по ГОСТ 2590-88	44,0 …51,5	480		ГОСТ 13769-86
Проволока класса I по ГОСТ 9389-75	__	0,5Rm		ГОСТ 13770-86
Проволока класса II н IIА по ГОСТ 9389-75		0,5Rm		ГОСТ 13771-86
Проволока по ГОСТ 1071-81		0,5Rm		ГОСТ 13771-86
Проволока по ГОСТ 14963-78	47,5… 53,5	960		ГОСТ 13772-86
Проволока по ГОСТ 2771-81
Проволока по ГОСТ, 14963-78	45,5 …51,5
Сталь горячекатаная круглая по ГОСТ 2590-88	44,0… 51,5	800		ГОСТ 13773-86
Проволока класса I по ГОСТ 9389-75	___	0,6Rm	————	ГОСТ 13774-86
Проволока по ГОСТ 14963-78	54,5 … 58,0	1350	Обязательное упрочнение дробью	ГОСТ 13775-86
Сталь горячекатаная круглая по ГОСТ 2590-88	51,5… 56,0	1050	Обязательное упрочнение дробью	ГОСТ 13776-86

Также, на станицах ГОСТа вы сможете ознакомится со сведениями о циклической и статической выносливости пружин, со свойствами пружинных материалов, и назначении высокой твердости для пружин 3-го класса.

Для определения размеров пружин используется методика в соответствии с ГОСТ13765-86, основные параметры витка пружин: ГОСТ 13766-86 — ГОСТ 13776-86
Основные параметры пружин и их расчет:

Наименование параметра	Обозначения	Расчетные формулы и значения
1. Сила пружины при предварительной деформации, Н	F₁
2. Сила пружины при рабочей деформации (соответствует наибольшему принудительному перемещению подвижного звена в механизме), Н	F₂	Принимаются в зависимости от нагрузки пружины
3. Рабочий ход пружины, мм	h
4. Наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или разгрузке, м/с	V max
5. Выносливость пружины — число циклов до разрушения	N_F
6. Наружный диаметр пружины, мм	D₁	Предварительно принимаются с учетом конструкции узла. Уточняются по таблицам ГОСТ 13766-86—ГОСТ 13776-86
7. Относительный инерционный зазор пружины сжатия. Для пружин растяжения служит ограничением максимальной деформации		Для пружин сжатия I и II классов =0,05 до 0,25 Для пружин растяжения = 0,05 до 0,10 Для одножильных пружин III класса = 0,10 до 0,40 Для трехжильных III класса = 0,15 до 0,40
8. Сила пружины при максимальной деформации, Н	F₃	Уточняется по таблицам ГОСТ 13766-86— ГОСТ 13776-86
9. Сила предварительного напряжения (при навивке из холоднотянутой и термообработанной проволоки), Н	F₀	(0,1 -0,25) F3
10. Диаметр проволоки, мм	d	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764-86 — ГОСТ 13776-86
11. Диаметр трехжильного троса, мм	d₁
12. Жесткость одного витка пружины, Н/мм	с₁
13. Максимальная деформация одного витка пружины, мм	S ¢₃ (при F₀=0) S ¢¢₃ (при F₀>0)	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764-86—ГОСТ 13776-86 S ¢¢₃ = S ¢₃
14. Максимальное касательное напряжение пружины, МПа	tз	Назначается по табл. 2 ГОСТ 13764—86
15. Критическая скорость пружины сжатия, м/с	V к	V к=
16. Модуль сдвига, МПа	G	Для пружинной стали G = 7,85Х10⁴
17. Динамическая (гравитационная) плотность материала, Нс²/м⁴		где — ускорение свободного падения, м/с² — удельный вес, Н/м³ Для пружинной стали = 8Х10³
18. Жесткость пружины, Н/мм	c	Для пружин с предварительным натяжением
19. Число рабочих витков пружины	п
20. Полное число витков пружины	п₁	n1=n+n2, где n2 — число опорных витков
21. Средний диаметр пружины	D	D = D1-d=D2+d
22. Индекс пружины	i	Рекомендуется назначать от 4 до 12
23. Коэффициент расплющивания троса в трехжильной пружине учитывающий увеличение сечения витка вдоль оси пружины после навивки	D	Для трехжильного троса с углом свивки β=24° определяется по таблице
24. Предварительная деформация пружины, мм	S₁
25. Рабочая деформация пружины, мм	S₂
26. Максимальная деформация, пружины, мм	S₃
27. Длина пружины при максимальной деформации, мм	l₃	l3=(n1+1-n3)d, где n3 — число обработанных витков
28. Длина пружины в свободном состоянии, мм	l₀	l0=l3+S3
29. Длина пружины растяжения без зацепов в свободном состоянии, мм	l¢₀	l¢ 0=(n1+1)d
30. Длина пружины при предварительной деформации, мм	l₁	l1=l0-S1 Для пружин растяжения l1=l0+S1
31′. Длина пружины при рабочей деформации, мм	l₂	l2=l2-S2 Для пружин растяжения l2=l0+S2
32. Шаг пружины в свободном состоянии, мм	t	t= S ¢₃+d Для пружин растяжения t=d
33. Напряжение в пружине при предварительной деформации, МПа	t1
34. Напряжение в пружине при рабочей деформации, МПа	t2
35. Коэффициент учитывающий кривизну витка пружины	k
36. Длина развернутой пружины (для пружин растяжения — без зацепов), мм	l	l@3,2Dn1
37. Масса пружины (для пружин растяжения — без зацепов), кг	m	m@19,25×10^-6Dd²n₁
38. Объем, занимаемый пружиной (без учета зацепов пружины), мм3	V	V = 0,785D₁²xl₁
39. Зазор между концом опорного витка и соседним рабочим витком пружины сжатия, мм	l	Устанавливаются в зависимости от формы опорного витка
40. Внутренний диаметр пружины, мм	D₂	D2=D1—2d
41. Временное сопротивление проволоки при растяжении, МПа	Rm	Устанавливается при испытаниях проволоки или по ГОСТ 9389—75 и ГОСТ 1071—81
42. Максимальная энергия, накапливаемая пружиной или работа деформации, мДж		Для пружин сжатия и растяжения без предварительного напряжения для пружин растяжения с предварительным напряжением