Виды пружин: классификация и применение

Что такое пружина и как она работает

Пружина — упругий элемент механизма: под нагрузкой она деформируется, накапливает механическую энергию и отдаёт её, возвращаясь к исходной форме, когда нагрузку снимают. Пружины используются почти в любом оборудовании: пружина прижимает клапан к седлу, возвращает рычаг, гасит удар, держит натяжение ремня, создаёт усилие в контакте реле.

В рабочем диапазоне сила пружины растёт пропорционально деформации — это закон Гука. Коэффициент пропорциональности называют жёсткостью: сколько ньютонов нужно, чтобы сжать или растянуть пружину на миллиметр. Жёсткость винтовой пружины зависит от диаметра проволоки, диаметра пружины и числа рабочих витков — тонкая проволока и большое число оборотов спирали дают мягкую пружину, толстая проволока и малый диаметр — жёсткую. Посчитать жёсткость и силу пружины сжатия по формулам ГОСТ 13765-86 можно в калькуляторе пружин.

Если нагрузку увеличивать дальше, материал выходит за предел упругости: пружина садится — после разгрузки не возвращается к прежней длине. Поэтому вид пружины, материал и размеры выбирают так, чтобы напряжения в витках оставались в допустимых пределах на весь срок работы.

Классификация пружин: по нагрузке, форме и конструкции

Единой классификации видов пружин нет: типы пружин различают по нескольким признакам сразу, и каждый признак отвечает за свою характеристику изделия. Одна и та же пружина может быть винтовой, конической и пружиной сжатия одновременно, поэтому в заказе тип пружины называют по всем признакам.

Чаще всего в механизмах и оборудовании используются винтовые цилиндрические пружины из проволоки круглого сечения — сжатия, растяжения и кручения. На них же написана основная часть стандартов.

Пружины сжатия

Самый распространённый тип пружин. Пружину сжатия навивают с зазором между витками — шагом, и она работает на укорочение: сила давит на торцы, и пружина укорачивается. Предел хода — когда спираль сжата полностью. Применяется в клапанах, амортизаторах, прижимах, выталкивателях штампов, кнопках и защёлках.

Крайние обороты спирали пружины сжатия — опорные: их поджимают к соседним рабочим и шлифуют, чтобы пружина стояла ровно и давила по всей опоре. ГОСТ 16118-70 задаёт для них конкретные требования:

• обработанная поверхность опорного витка — плоская, зазор до контрольной плиты не больше 0,05 диаметра проволоки;
• толщина конца опорного витка — около 0,25 диаметра проволоки, но не меньше 0,15;
• длина обработанной дуги — около трёх четвертей окружности витка;
• пружины из проволоки 0,5 мм и тоньше и многожильные пружины не шлифуют.

Длинная пружина сжатия при нагрузке может выгнуться вбок — потерять устойчивость. Её ставят на направляющий стержень или в гильзу. Подробнее о конструкции и изготовлении — на странице пружин сжатия на заказ.

Пружины растяжения

Пружину растяжения навивают плотно, без зазора, и она работает на удлинение. Силу передают зацепы на концах: крючки, кольца, отогнутые петли или ввёрнутые пробки. При плотной навивке в пружине остаётся предварительное натяжение — пока сила меньше него, пружина не растягивается. Где используется: возвратные механизмы, натяжители, пружины дверей, весы, рычажные тяги.

Слабое место пружины растяжения — зацеп: в месте отгиба напряжения выше, чем в витках. Поэтому ГОСТ 13764-86 оговаривает, что значения выносливости на зацепы не распространяются, а пружины растяжения III класса стандарт не предусматривает вовсе. Если узел работает с частыми циклами, вместо пружины растяжения часто ставят пружину сжатия с тягой. Формы зацепов и требования к ним — на странице пружин растяжения.

Пружины кручения и изгиба

Пружина кручения тоже винтовая, но работает на закручивание: нагрузка — момент, который прикладывают к отогнутым концам, или плечам. Витки при этом изгибаются. Такие пружины используются в шарнирах, прищепках, возвратных механизмах крышек и рычагов, в счётчиках и различном оборудовании. Пружину кручения обычно сажают на оправку, и при закручивании её внутренний диаметр уменьшается — зазор до оправки закладывают в чертёж.

Пружиной изгиба называют упругий элемент, который работает на изгиб: плоскую пластину, отогнутую проволоку, листовую рессору. Сюда же относят торсионы — упругие элементы в виде стержня, который работает на скручивание по длине; торсионные валы применяются в подвесках и секционных воротах. Изготовление торсионных и фасонных пружин — на отдельной странице.

Конические, бочкообразные и фасонные пружины

У конической пружины сжатия диаметр витков меняется от одного торца к другому. При сжатии малые кольца спирали входят внутрь больших, и высота сжатой пружины получается меньше, вплоть до толщины одного-двух витков. Жёсткость у неё растёт с ходом: сначала садятся крупные, мягкие обороты, затем мелкие, жёсткие. Бочкообразная пружина — с большим диаметром в середине — тоже сжимается почти в плоскость и меньше выгибается вбок.

Такую же нарастающую жёсткость дают цилиндрические пружины с переменным шагом витков. Фасонными называют пружины сложной формы с отгибами, петлями, прямыми участками — их навивают и гнут по чертежу под конкретный узел.

Тарельчатые, волновые и плоские спиральные пружины

Плоская спиральная пружина навита из ленты в плоскости, слой вокруг слоя. Она накапливает энергию при закручивании и отдаёт эту энергию постепенно: так работают часовые заводы, рулетки, катушки и механизмы самосматывания кабеля. К этой же группе относят ленточные пружины постоянного усилия — лента, свёрнутая в рулон, тянет с почти одинаковой силой на всём ходе.

Классы и разряды пружин по ГОСТ 13764

Для винтовых цилиндрических пружин сжатия и растяжения из стали круглого сечения ГОСТ 13764-86 вводит классы — по выносливости, то есть числу циклов, которое пружина должна выдержать, — и разряды внутри класса по материалу и диаметру проволоки. Стандарт распространяется на пружины для неагрессивной среды при температуре от −60 до +120 °C.

Чем больше циклов должна выдержать пружина, тем ниже допускаемое напряжение в витках — и тем меньше сила, которую даёт пружина тех же размеров. Допускаемые напряжения по классам — в разделе калькулятора пружин сжатия. Разряды пружин I класса и стандарты на параметры их витков:

Стандарты на параметры витков — это готовые ряды пружин: для каждого диаметра проволоки и пружины в них указаны сила, жёсткость и деформация одного витка. Пружину удобнее подобрать из ряда, чем рассчитывать заново, а в чертеже достаточно сослаться на позицию стандарта.

Материалы для пружин

Материал пружины должен иметь основную характеристику — держать высокие напряжения без остаточной деформации, то есть иметь высокий предел упругости. Его выбирают по нагрузке, диаметру проволоки и среде, где будет работать изделие.

Пружины из закаливаемой стали после навивки закаливают и отпускают при 400–500 °C — это средний отпуск, он даёт наибольшую упругость. Почему выбран именно этот интервал — в статье об отпуске стали, расшифровка марок — в статье о марках стали. Для защиты от коррозии на пружины наносят покрытия: цинкование, никелирование, оксидирование.

Как выбрать вид пружины под механизм

Тип упругого элемента определяют три вопроса: как в узле приложена нагрузка, сколько есть места и какой нужен ход. Таблица показывает, какой вид пружины обычно применяется для каждой задачи механизма.

После выбора вида задают силу и длину в рабочем положении, число циклов — по нему определяется класс пружины, — среду и температуру. По этим данным подбирают диаметр проволоки, диаметр пружины, число рабочих витков и материал.

Изготовление пружин в технопарке ЗЭМ

Участок технопарка выполняет изготовление пружин на заказ по чертежу: пружины сжатия, растяжения, кручения и фасонные пружины сложной формы. Пружины навивают на многофункциональных станках с ЧПУ.

• Проволока 0,4–3,0 мм, точность навивки до 0,1 мм.
• Индивидуальные заказы, мелкие серии и серийные партии.
• Покрытие и термообработка — на участках того же технопарка, без перевозки пружин к другому подрядчику.

В заявке укажите вид пружины, диаметр проволоки, наружный диаметр, длину в свободном состоянии, силу на рабочей длине, количество и покрытие.