Пружины – механические устройства высокого значения, используемые для передачи движения, увеличения поглощения ударов и т. д. во многих изделиях. Они применяются во всех видах машин, начиная от грузовиков и заканчивая часами. Однако они различаются по размеру, конструкции, форме и материалам в соответствии с конкретными потребностями соответствующей машины или устройства.
Следовательно, для понимания, какой вид пружины требуется для любой цели, важно знать основные типы пружин, их механизм и применение. В этой статье мы рассматриваем некоторые ключевые типы пружин.
Основы пружин
Прежде чем погрузиться в типы пружин, важно понять основы пружин. Пружина – это инструмент или устройство, которое накапливает и высвобождает энергию при приложении и снятии силы соответственно. Находясь в нормальных условиях, независимо от типа пружины или продукта, в котором она используется, она вернется к своей нормальной форме после снятия нагрузки.
Использование пружин в любом продукте полностью основано на законе Гука. Закон Гука демонстрирует отношение между “силой”, действующей на пружину, и ее упругостью. Простыми словами закон Гука выражает, что необходимое усилие для сжатия и растяжения пружины пропорционально смещению.
Математически закон Гука описывается как F = -kX,
F = приложенная сила к пружине
X = смещение пружины (отрицательное значение означает, что восстанавливающая сила противоположна направлению силы.
K = жесткость пружины. Она зависит от природы пружин и показывает их жесткость.
Основные типы пружин
Ниже приведены некоторые основные типы пружин, которые используются в широком спектре продуктов и машин;
Механические пружины
Катушечные пружины
Катушечная пружина – это винтовая механическая конструкция, которая может быть плотно намотана или иметь открытую обмотку. Катушечные пружины накапливают механическую потенциальную энергию. Их можно изготавливать из упругих и металлических материалов, включая закаленную сталь. Катушечные пружины можно найти в множестве повседневных устройств, начиная от сельскохозяйственных машин и заканчивая игрушками, батутами и многим другим.
Катушечная пружина работает путем накопления энергии для ее освобождения, поглощения ударов или поддержания давления между поверхностями. Если вы примените чрезмерное усилие, вы можете растянуть пружину за пределы ее предела, что приведет к необратимому искажению пружины.
Катушечные пружины поставляются в множестве дизайнов и форм. Первая стальная катушечная пружина была изготовлена в 1857 году для кресла. Сегодня вы можете найти катушечные пружины в бесчисленном количестве обычных товаров, таких как:
- Автомобили
- Дверные ручки
- Часы
- Тостеры
- Ручки с кнопкой
- Ворота
- Игрушки
- Гаражные ворота
Листовые пружины
Листовые пружины – это пружины, изготовленные из квадратных стальных пластин, также называемых листьями. Квадратные металлические пластины обычно болтается и зажимается и используется в основном в тяжелых транспортных средствах. Ниже приведены некоторые типы листовых пружин и их применение:
- Одиночная листовая пружина: Это единственный вид листовой пружины, который используется в легких автомобилях.
- Многолистовая пружина: Этот вид листовой пружины имеет несколько листьев и используется в тяжелых автомобилях.
- Полуэллиптическая листовая пружина: Этот тип листовой пружины изогнут и используется в автомобилях и автобусах.
- Эллиптическая листовая пружина: Этот вид листовой пружины более изогнут, чем полуэллиптическая листовая пружина, и используется в тяжелых грузовиках.
- Параболическая листовая пружина: Этот тип листовой пружины – это максимально изогнутая форма листовой пружины, и используется в тяжелых грузовиках и прицепах.
Торсионные пружины
Торсионные пружины представляют собой катушки или полосы, которые могут иметь форму винтовую или плоскую спираль. Они используются как для принятия, так и для сопротивления крутящим моментам. Основные характеристики, которые следует учитывать при выборе торсионных пружин, – это коэффициент упругости, диаметр проволоки, материал, тип концов пружины и крутящий момент в определенном положении. Эти пружины обычно используются в производственных приложениях в качестве компонентов для различных систем управления движением.
Существует два основных вида торсионных пружин: винтовые торсионные пружины, которые схожи с компрессионными или удлинительными пружинами и действуют радиально для передачи крутящего момента, и спиральные торсионные пружины, которые наматываются в виде концентрических спиралей, обычно из плоского или прямоугольного материала. Торсионные пружины доступны в различных формах и размерах, начиная от часов и механизмов точного времени и заканчивая системами управления движением в автоматических машинах. Их можно заказать под конкретные требования или приобрести в готовых размерах или в составе наборов.
Газовые пружины
Газовые пружины – это механические цилиндры и стержни, которые используют азот или другие инертные газы для создания давления и силы на поршень или стержень. Для определения наилучшего варианта для конкретного применения следует учитывать ключевые параметры, такие как ход, сжатая и расширенная длина, сила и характеристики.
Газовые пружины часто используются в автомобильной промышленности для подъема и опускания капотов или люков и имеют различные размеры и длины амортизаторов, чтобы удовлетворить различные требования по весу. Их также можно найти на офисных стульях для регулировки высоты сиденья.
Жидкостные пружины
Жидкостные пружины, также известные как гидравлические пружины, используют жидкости для сохранения и передачи механической энергии, служа в качестве альтернативы стандартным механическим пружинам. Они используют несжимаемость жидкостей для равномерного распределения сил. Жидкостные пружины предлагают преимущества, такие как регулируемая жесткость, точное управление силой и возможности демпфирования. Они находят применение в различных отраслях, таких как автомобильная, аэрокосмическая и робототехника. Эти пружины обычно включают в себя цилиндр, заполненный жидкостью, с подвижным поршнем или мембраной, дополненный клапанами для регулирования давления и потока.
Существует несколько различных видов жидкостных пружин. Гидравлические аккумуляторы являются основными и используются в гидравлических системах для накопления энергии и амортизации ударов. Гидропневматические пружины объединяют жидкость и газ для регулируемой упругости и демпфирования и широко применяются в автомобильных подвесках. Электрореологические (ER) и магнитореологические (MR) жидкостные пружины используют специальные жидкости, чувствительные к электрическим или магнитным полям, для быстрого управления силой. Пневматические пружины используют сжатый воздух для эффектов пружинения и демпфирования. Жидкостные пружины Буссинека-Плато специализированы для биомеханики и медицинских симуляций. Электрогидростатические приводы используют электрическую энергию для точного управления силой и движением в тяжелом оборудовании. Выбор жидкостной пружины зависит от конкретных требований приложения.
Композитные пружины
Композитные пружины – это механические компоненты, состоящие из различных материалов, включая металлы и композиты, для сохранения и высвобождения механической энергии. Они отлично подходят для различных приложений благодаря своим уникальным свойствам. Примеры включают композитные пружины с армированным материалом для автомобильных подвесок, композитные листовые пружины в тяжелой технике и композитные пружины Бельвиля для промышленного использования. Спортивные системы и биомеханические имплантаты также используют композитные материалы для устойчивости, жесткости и гибкости.
Преимущества композитных пружин включают снижение веса, устойчивость к коррозии, возможность настройки и отличную демпфирование вибрации. Они особенно ценны в весо-чувствительных отраслях, таких как автомобильная и авиационная. Однако есть и недостатки, включая более высокие цены, сложные производственные процессы, вызовы, связанные с совместимостью материалов, и ограниченную температурную устойчивость. Несмотря на эти ограничения, композитные пружины предлагают революционные решения для удовлетворения конкретных инженерных потребностей и используются в широком спектре приложений, где их преимущества перевешивают риски.
Уникальные и Специализированные Пружины
Пружины находят особое применение в узкоспециализированных отраслях, таких как медицинские устройства, авиационная и автомобильная промышленность. В медицинской сфере миниатюрные пружины необходимы для инсулиновых насосов и кардиостимуляторов, а пружины стента помогают поддерживать открытие сосудов. Авиационная отрасль зависит от пружин для шасси и клапанных пружин для безопасной посадки и эффективности двигателя. Автомобильная отрасль использует пружины подвески для мягких поездок и ретракторы ремней безопасности.
Необычные конструкции пружин служат специализированным целям. Пружины постоянной силы обеспечивают постоянное давление в устройствах, таких как выдвижные ручки, волновые пружины устанавливаются в тесных пространствах, торсионные пружины обеспечивают крутящее усилие, а вихревые пружины генерируют вихри в жидкости для исследования гидродинамики. Эти примеры подчеркивают универсальность пружин, которые адаптируются к конкретным потребностям в различных отраслях, от обеспечения благополучия человека до улучшения производственной эффективности и вклада в научные исследования. Пружины являются неотъемлемым элементом в инженерном деле, обеспечивая устойчивость, безопасность и точность в разнообразных и неожиданных применениях.
Факторы, Влияющие на Выбор Пружин
Для достижения наилучшей производительности и срока службы необходимо учитывать ряд параметров при выборе подходящей пружины. Требования к нагрузке, включая размер и направление, а также требования к изгибу и жёсткость пружины, имеют важное значение. Выбор материала зависит от воздействия окружающей среды, а также требований к усталостной стойкости.
Рабочие температуры должны быть ограничены свойствами материала, а пространство ограничено. Частота работы влияет на усталостную стойкость, а условия окружающей среды влияют на выбор материала. Факторы затрат могут ограничивать возможности, но соображения безопасности могут требовать избыточности или предосторожностей.
Различные качества пружин требуются для статических и динамических нагрузок, и конструктивные решения должны быть соответствующими для конкретного применения. Для виброизоляции или поглощения ударов требуются специальные демпфирующие качества пружин. Сопротивление коррозии критично в коррозионной среде, и часто требуется соответствие стандартам и нормативам.
Заключение
Пружины – универсальные механические устройства, которые могут применяться во множестве областей. Они могут быть изготовлены из различных материалов, включая сталь, пластик и композитные материалы. Пружины доступны в различных формах и размерах, и их конструкция может быть разработана для удовлетворения специфических потребностей приложения. При выборе пружины важно учитывать требования к нагрузке, требования к изгибу, жёсткость пружины, материал, рабочую температуру, частоту работы, стоимость, безопасность и конструктивные решения.
