Визначення конструкцій та розрахунок пружин

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

 

Вивчення конструкцій ТА РОЗРАХУНОК пружин

 

Мета роботи: Вивчити основні конструкції пружин, одержати практичні навички у розрахунку пружин на жорсткість.

 

1 Порядок виконання роботи

- ознайомитися з принципом дії та конструкцією спеціалізованих стендів та лабораторних пристроїв для визначення жорсткості пружин різних типів і конструкцій;

- розглянути макетні зразки пружин, ознайомитись з їх основними конструкціями, класифікацією;

- вибрати пружини і провести заміри їх параметрів, підрахунок витків, навести технічну характеристику;

- провести теоретичні розрахунки жорсткості циліндричної витої пружини і визначити її розрахункову деформацію;

- відповісти на контрольні запитання;

- зарахувати лабораторну роботу у викладача.

 

2 Завдання для самопідготовки

Під час самостійної підготовки до роботи ознайомитись з областю застосування, основними конструкціями, умовами роботи, особливостями монтажу пружин, що призначені для сприйняття різних по напрямку і інтенсивності навантажень.

 

3 Основні теоретичні положення

Група деталей машин "Пружини" займає особливе місце в загальній класифікації деталей машин і використовується у всіх галузях машинобудування; їх застосовують:

1) для створення заданих постійних сил - стиску або натягу в передачах тертям, фрикційних муфтах, гальмах, запобіжних устроях, підшипниках, а також для врівноважування сил ваги та інших сил;

2) для силового замикання кінематичних пар, в основному кулачкових, щоб виключити вплив зазорів на точність переміщення або спростити конструкцію;

3) для виконання функції двигуна на основі попереднього акумулювання енергії, наприклад годинникові пружини;

4) для віброізоляції в транспортних машинах - автомобілях, локомотивах, вагонах, приладах, віброізоляційних опорах машин;

5) для сприйняття енергії удару буферні пружини, які застосовують в залізничних потягах, гарматах і т.п.; буферні і віброізоляційні пружини акумулюють не корисну, а шкідливу для машини енергію;

6) для виміру зусиль, температур, переміщень, що здійснюється по пружним деформаціям пружин (у вимірювальних приладах).

Пружини, які застосовуються у сучасній техніці можна класифікувати по таких основних ознаках:

12.1.png

1) По деформації пружини: розтягу (рисунок 1 а), стиску (рис. 1 б, в, г, д, е), кручення (рис. 1 ж, з, к), згину (рис. 1 л, м).

2) По конструкції та формі:

- виті циліндричні - застосовують найбільш часто тому, що форма пружини зручна для розміщення; пружини прості й економічні, працюють в широкому діапазоні навантажень (рис. 1 а, б, ж);

- виті фасонні (конічні і телескопічні – рис. 1 г, д) мають нелінійну навантажувальну характеристику;

- тарілчасті (рис. 1 в) застосовують для великих навантажень при малих переміщеннях і стиснених габаритах по осі (теж мають нелінійну характеристику);

- кільцеві пружини (рис. 1 е) застосовують для великих навантажень при необхідності розсіювання великої кількості енергії (амортизатори). Кільця при навантаженні всуваються одне в друге, причому зовнішні кільця розтягуються, а внутрішні стискуються;

- плоскі спіральні пружини (при стиснених габаритах по осі і переважно невеликих моментах – рис. 1 з);

- торсіонні вали (при не регламентованих по осі габаритах, значних обертаючих моментах, необхідності сприйняття деяких згинальних моментів і при невеликій необхідній податливості – рис. 1 к);

- листові ресори (працюють на згин при невеликих габаритах по осі і не обмежених габаритах у бічному напрямку – рис. 1 л, м).

3) По навантажувальній характеристиці: з постійною жорсткістю  (виті циліндричні пружини); з перемінною жорсткістю (фасонні, тарілчасті, виті багатожильні пружини).

12.2.png

Основне застосування мають пружини з круглого дроту завдяки їх найменшій вартості та тому, що витки круглого перетину краще працюють на кручення. Пружини з витками квадратного і прямокутного перетину застосовують при великих навантаженнях, бо вони дозволяють краще використовувати габарити, а також у випадках, коли через труднощі навивки пружини вирізують із труби.

Пружини характеризують геометричними параметрами (рис. 3):

12.3.png

Ці параметри взаємозалежні, але тільки чотири з них (підкреслені в тексті) можна розглядати як основні. Крок витків, кут підйому витків і довжину робочої частини пружини розглядають окремо в ненавантаженому і навантаженому станах.

ГОСТ 13764-86 - ГОСТ 13776-86 на гвинтові циліндричні пружини стиску і розтягу охоплюють пружини для навантажень 1...105 Н, діаметрами дроту 0,2...50 мм, зовнішніми діаметрами 1...700 мм, індексами пружини 4...12. За вихідні величини вибрані ряди силових характеристик. Пружини діляться на класи: 1-й - для великих чисел циклів навантажень, 2-й - для середніх і 3-й - для малих. По точності пружини діляться на групи: 1 група - із допустимими відхиленнями по силах і пружних переміщеннях ±5 %, 2 група ±10%, 3 група ±20 %.

Жорсткість пружини – величина, що чисельно виражає зусилля, потрібне для деформації пружини на одиницю довжини, тобто величина, зворотна податливості (Н/мм).

12.3.1.png

При практичних розрахунках пружини вибирають по таблицях стандартів, у яких, поряд із діаметрами D і d, указані значення жорсткості одного витка z1, а також максимальний прогин одного витка fз, а потім перевіряють на міцність і уточнюють розміри.

Пружини з дроту квадратного і прямокутного перетину розраховують по аналогічній методиці, розрахункові формули модифікують.

 

4 Оснащення лабораторної роботи

- комп’ютер з програмним забезпеченням;

- файли з моделями пружин;

- макетні зразки пружин;

- методичні вказівки по виконанню лабораторної роботи;

- звіт з лабораторної роботи.

 

5 Методика проведення роботи

Ознайомитись з основними конструкціямита характеристиками пружин.

Відкрити файли з моделями пружин. Візуально визначити видипружин за деформацією, формою. Виміряти основні розміри пружин, підрахувати число витків.

Результати огляду та замірів пружин занести до таблиці 1.

12.1tab.png

Розрахунок пружин за допомогою програми КОМПАС (рис. 4).

Підібрати пружину стиску для заданих умов:

Сила пружини при попередній деформації F1 = 10 Н,

Сила пружини при робочій деформації F2 = 2500 Н,

Діаметр пружини D1не більше 100 мм,

Діаметр дроту dне більше8мм,

Робочій хід пружини h не більше 200 мм.

Вибрати матеріал дроту, визначити силу пружини при максимальній деформації, визначити жорсткість пружини.

 

Підібрати пружину розтягу для заданих умов:

Сила пружини при попередній деформації F1 = 10 Н,

Сила пружини при робочій деформації F2 = 850 Н,

Діаметр дроту dне більше4мм,

Робочій хід пружини h не більше 50 мм.

Вибрати матеріал дроту, визначити силу пружини при максимальній деформації, визначити жорсткість пружини.

 

Для вибору пружини виберіть «Приложение → Механика → Пружины → Пружины сжатия». У вікні «Построение без расчета» виберіть Проектный расчет (рис. 4).

Заповнити вихідні дані та виконати розрахунок пружини (рис. 5). Із результату розрахунку вибрати варіант пружини, що відповідає заданим умовам (рис. 6).

12.4.png

Аналогічним чином виконати розрахунок і підібрати пружину розтягу для заданих умов. Виконати робочі креслення пружин.

12.6.png

6 Вимоги безпеки

Під час проведення роботи додержуватись правил загальної інструкції з охорони праці, наведених у розділі „Загальні вимоги безпеки“.

 

7 Контрольні запитання

1 Загальна класифікація пружин.

2 Які існують конструкції пружин?

3 Які матеріали використовуються для виготовлення пружин?

4 Що таке індекс витої циліндричної пружини?

5 Основні геометричні характеристики пружин.

6 Як визначається кількість робочих витків?

7 Де використовують тарілчасті та листові  пружини?

8 Де використовують конічні пружини?

9 Поняття жорсткості та податливості пружин?

10 Чим відрізняються пружини стиску та розтягу?

 

8 Тестові завдання

1 Яка з наведених марок сталей більш підходить для виготовлення пружин загального призначення?

– 60С2А;          – 18ХГТ;       – ШХ15СГ;    – Сталь 3.

 

2 Який з перерізів дроту для виготовлення витої пружини розтягу або стиску найбільш розповсюджений?

- круглий;       - прямокутний;      

- квадратний;  - багатожильний.

 

3 За якими напруженнями звичайно розраховують на міцність виті циліндричні пружини стиску та розтягу?

- кручення;      - стиску;        - згину;          - розтягу.

 

4 З якою метою торцеві поверхні витих пружин стиску шліфують перпендикулярно до їх повздовжньої осі?

- для співпадання лінії навантажень і осі пружини;

- з міркувань безпеки слюсарів-складальників;

- для збільшення жорсткості;

- для збільшення податливості.

 

5 Для яких конструкцій застосовують тарілчасті пружини?

- при великих навантаженнях та малих пружних переміщеннях;

- при невеликих крутильних моментах;

- при необхідності збільшення податливості;

- при великих обертальних моментах.

 

6 В яких одиницях вимірюється жорсткість пружин?

- Н/мм;             - Н·мм;          - мм/Н;          - Н.

 

7 Для яких пружин застосовують стакани при монтажі?

- для пружин стиску, у яких Н/D ≥ 3;

- для пружин розтягу, у яких Н/D ≥ 3;

- для пружин стиску, у яких Н/D ≤ 3;

- для пружин розтягу, у яких Н/D ≤ 3.

 

 

8 В яких пружинах передбачені зачепи на кінцях?

- розтягу;                     - стиску;       

- тарілчастих;              - фасонних.

 

9 Від яких параметрів залежить значення індексу пружини?

- від діаметра дроту і середнього діаметра пружини;

- від діаметра дроту і повної довжини пружини;

- від діаметра дроту і робочої довжини пружини;

- від діаметра дроту і кроку витків пружини.

 

10 Вкажіть функцію, яку не виконують пружини

- з’єднання валів;                   - гасіння коливань;

- вимірювання зусиль;          - акумулювання енергії.