Основные типы пружин

Пружины	Растяжения	Сжатия	Кручения	Изгиба
Витые цилиндрические				–
Прочие	–	Кольцевые Тарельчатые	Плоские спиральные Торсионные валы	Рессоры

Чем тоньше проволока, тем податливее могут быть витые пружины. При необходимости повышенной податливости в условиях стесненных габаритов применяют многожильные витые пружины.

Для больших нагрузок при малых упругих перемещениях и стесненных габаритах по оси приложения нагрузки применяют тарельчатые пружины.

Для больших нагрузок при необходимости рассеяния большого количества энергии (амортизаторы) применяют кольцевые пружины, в которых кольца при нагружении вдвигаются одно в другое, причем наружные кольца растягиваются, а внутренние сжимаются.

При стесненных по оси габаритах и не стесненных габаритах в боковом направлении применяют упругие элементы, работающие на изгиб, – рессоры.

Пружины кручения в обычных условиях применяют в виде витых цилиндрических пружин, а при стесненных габаритах по оси и преимущественно при небольших крутящих моментах в виде плоских спиральных пружин.

При не стесненных по оси габаритах, значительных крутящих моментах, необходимости воспринятия некоторых изгибающих моментов и при небольшой требуемой податливости применяют торсионные валы.

Упругие элементы относят к деталям машин, требующим достаточно точных расчетов. В частности, их обязательно рассчитывают на жесткость. При этом неточности расчета не могут быть компенсированы запасами жесткости.

Фасонные пружины применяют главным образом при необходимости получения нелинейной характеристики, т. е. нелинейной зависимости между силой и упругим перемещением пружины. Нелинейная характеристика пружин (возрастание жесткости пружины с нагрузкой) уменьшает опасность резонансных колебаний.

Пружины с нелинейной характеристикой могут воспринимать, большую энергию удара, чем пружины с линейной характеристикой тех же габаритных размеров и т. д.

К фасонным пружинам относят конические пружины (рис. 3.4.58, а) параболоидные пружины (рис. 3.4.58, б); телескопические буферные пружины для больших нагрузок, выполняемые из полосовой стали (рис. 3.4.58, в).

Фасонные пружины выполняют обычно в виде пружин сжатия. Витки фасонных пружин в связи с разным радиусом имеют различную жесткость. Нелинейная характеристика фасонных пружин связана с тем, что при возрастании нагрузки происходит постепенная посадка витков большого радиуса одного на другой или на опорную поверхность. Таким образом, часть витков перестает деформироваться, и пружина становится более жесткой.

Материалы пружин. Материалы для пружин должны иметь высокие и стабильные во времени упругие свойства. Делать пружины из материалов низкой прочности нецелесообразно. Масса геометрически подобных пружин при заданной нагрузке и упругом перемещение обратно пропорциональна квадрату допускаемого напряжения. Это связано с тем, что пружины из менее прочных материалов в целях сохранения заданной жесткости приходится делать повышенных диаметров и, следовательно, витки их нагружены большими моментами, чем пружины из более прочных материалов. Эффективность применения высокопрочных материалов для пружин связана также с меньшей концентрацией напряжений в пружинах, чем в других деталях, и с меньшими размерами сечений витков. Соотношение размеров витых пружин с одинаковыми характеристиками из разных материалов показано на рис. 3.4.59.

Рис. 3.4.59. Сравнительные размеры пружин из разных материалов:

а – сталь 65Г; б – сталь 60С2А; в – сталь 50ХФА

Основными материалами для пружин являются: высокоуглеродистые стали 65, 70, марганцовистые стали 65Г, кремнистые стали 60С2А, хромованадиевая сталь 50ХФА и др.

Высокоуглеродистые стали, как наиболее дешевые, имеют широкое распространение для пружин с размерами сечений витков до 15 мм.

Марганцовистые, кремнистые и хромомарганцовистые стали обладают более высокими механическими свойствами и лучшей прокаливаемостью, позволяющей успешно применять эти стали для пружин с размерами сечений витков до 20 мм, а хромомарганцовистые стали – до 25 – 30 мм.

Хромованадиевая сталь характеризуется высокими механическими свойствами, особенно высоким пределом выносливости, теплостойкостью, а также хорошими технологическими свойствами. Ее применяют для ответственных пружин, в частности, для клапанных пружин двигателей. Во избежание коррозии пружины кадмируют, покрывают неопреновой пленкой. Возможно применение для пружин стеклопластов.

Для работы в химически активной среде применяют пружины из цветных сплавов: кремнемарганцовистых бронз (Бр. КМц 3-1) оловянных бронз (Бр. ОЦ 4-3) и бериллиевых бронз (Бр. Б-2).

Заготовками для витых пружин служит проволока, а также полосовая сталь и лента. Пружины небольших размеров сечений проволоки до 8 – 10 мм изготовляют холодной навивкой; пружины больших сечений – навивкой в горячем состоянии.

Основное применение в машиностроении имеют пружины из круглой проволоки в связи с их наименьшей стоимостью и с тем, что витки круглого сечения лучше других работают на кручение. Ниже расчет излагается в применении к этим пружинам.

Пружины с витками квадратного и прямоугольного сечения применяют при больших нагрузках, так как они позволяют лучше использовать габариты, а также в случаях, когда из-за трудности навивки пружины вырезают из трубы. Их, как правило, используют в качестве пружин сжатия.

Пружины характеризуются следующими основными геометрическими параметрами (рис. 3.4.60):

1. Диаметром проволоки (d) или размерами сечения витков.

2. Средним диаметром пружины (D), а также наружным диаметром (D + d) и внутренним диаметром (D – d).

3. Индексом пружин (с = D/d);

4. Шагом витков (h).

5. Углом подъема витков (a) tga = h/pD.

6. Длиной рабочей части пружины (Н_р).

7. Числом рабочих витков (i = H_p/h).

Эти параметры взаимосвязаны, но только четыре из них можно рассматривать как основные. Шаг витков, угол подъема витков и длину рабочей части пружины рассматривают отдельно в ненагруженном и нагруженном состояниях.

Чем податливее должна быть пружина, тем большим берется индекс пружины и число витков. Обычно индекс пружины выбирают в зависимости от диаметра проволоки в следующих пределах:

d, мм	до 2,5	3–5	6–12
с	5–12	4–10	4–9

Увеличив индекс пружины, можно при той же жесткости сократить габариты пружины по длине за счет увеличения диаметра, и, наоборот, уменьшив индекс пружины, можно уменьшить диаметр пружины за счет увеличения длины.

Упругие элементы из неметаллических материалов, пневматические рессоры.Высокомолекулярные материалы (резины, полимерные материалы типа вулколана) могут из-за малого модуля упругости аккумулировать большее количество энергии на единицу массы, чем закаленные пружинные стали. Упругие элементы из синтетических материалов получаются более простыми по форме, чем металлические, которые для получения значительных деформаций приходится составлять из нескольких листов (рессоры). В синтетических материалах упругие свойства удачно сочетаются с демпфирующими. Основной недостаток этих материалов – старение.

Синтетические материалы используют для изготовления собственно упругих элементов и упругих баллонов пневматических рессор.

Упругие элементы из синтетических материалов применяют в упругих муфтах, в системах виброизоляции (упругие опоры) и т. д. Упругие элементы из этих материалов целесообразнее всего использовать при напряженных состояниях сдвига.

Пневматические рессоры успешно применяют в транспортных машинах, в первую очередь, имеющих сеть сжатого воздуха в частности в грузовых автомобилях.

Тема 6. Муфты

Для соединения валов применяют муфты (рис. 3.4.61). С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Некоторые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

- получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей, компенсации небольших неточностей монтажа в относительном расположении соединяемых валов;

- придания валам некоторой относительной подвижности во время работы (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

- включения и выключения отдельных узлов;

- автоматического соединения и разъединения валов в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скорости, т. е. выполнения функций автоматического управления.

Классификация муфт.Многообразие конструкций муфт усложняет их классификацию. Ниже приведена классификация по отдельным признакам.

По принципу действия и основному назначению:

- постоянные муфты – муфты, не допускающие разъединения валов в процессе работы машины;

- сцепные (управляемые) муфты – муфты, позволяющие соединять и разъединять валы;

- самоуправляемые (автоматические) муфты – муфты, автоматически разъединяющие валы при изменении заданного режима работы;

- предохранительные муфты – муфты, разъединяющие валы при нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

По характеру соединения валов:

- жесткие (глухие) мцфты – муфты, практически не допускающие компенсации радиальных, осевых и угловых смещений валов;

- компенсирующие муфты – муфты, допускающие некоторую компенсацию радиальных, осевых и угловых смещений валов благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

- фрикционные муфты – муфты, допускающие кратковременное проскальзывание при перегрузках;

- электромагнитные и гидравлические муфты.

Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторого диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента. Многообразие узловых конструкций машин способствует широкому распространению муфт в машиностроении.

Жесткие (глухие) муфты. С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов.

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку 3 (рис. 3.4.62), посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов 1 и 2.

Рис. 3.4.62. Втулочная муфта:

а – крепление на шпонке; б – крепление штифтом

Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответственных конструкциях машин при диаметрах валов d < 70 мм.

Достоинством таких муфт является простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатками – необходимость при монтаже и демонтаже раздвигать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совмещения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов (рис. 3.4.63).

Рис. 3.4.63. Возможные смещения валов

Материал для изготовления втулки – сталь 45; для муфт больших размеров – чугун СЧ25.

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис. 3.4.63), соединенных болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или шлицевые соединения.

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего центрования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на другой – выточку того же диаметра (рис. 3.4.64, а) или предусматривают центрующее кольцо 3 (рис. 3.4.64, б).

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие моменты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d < 350 мм. Достоинством этих муфт является простота конструкции и легкость монтажа; недостатком – необходимость точного совмещения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающихся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.

Материал для изготовления фланцевых полумуфт – сталь 40, 35Л, чугун СЧ30 (для муфт больших размеров).

Компенсирующие муфты.Конструкции этих муфт несколько сложнее, но они допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов. Основное назначение этих муфт состоит в том, чтобы компенсировать вредное влияние неправильного относительного положения соединяемых валов. Компенсирующие муфты делятся на жесткие подвижные и упругие (деформируемые).

Кулачково-дисковая муфта состоит из двух полумуфт с диаметральными пазами на торцах и промежуточного плавающего диска (рис. 3.4.65) с взаимно перпендикулярными выступами. В собранной муфте выступы диска располагаются в пазах полумуфт (рис. 3.4.65). Трущиеся поверхности периодически смазывают пластичной смазкой (один раз в смену). Кулачково-дисковая муфта применяется для соединения тихоходных валов (до 250 об/мин). Допустимые радиальные смещения валов – до 0,04d, угловое – до 30'. Недостатком этих муфт является их повышенная чувствительность к перекосам валов. Эти муфты предназначены главным образом для компенсации относительно параллельного смещения осей валов. Теоретически при любом смещении передаточное отношение между валами постоянное. При вращении ведущего вала без угловых ускорений ведомый вал также будет вращаться равномерно. Полумуфты и диски рекомендуется изготовливать из стали 45Л.

Рис. 3.4.65. Кулачково-дисковая муфта

Зубчатая муфта (рис. 3.4.66) состоит из четырех основных деталей: двух полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и двух обойм 3 и 4 с внутренними зубьями. Обоймы муфты соединены болтами 5. Через отверстие 6 заливается масло (один раз в три месяца). Зубчатые муфты компенсируют радиальные, угловые и комбинированные смещения валов (углы между полумуфтами и обоймами не должны превышать 0,5°; d < 560 мм); находят широкое применение в машиностроении. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Материал полумуфт и обойм – сталь 40 или 45Л.

Упругая втулочно-пальцевая муфта (рис. 3.4.67) по конструкции аналогична фланцевой муфте, вместо соединительных болтов у упругой муфты имеются стальные пальцы 2, на которые установлены эластичные (резиновые, кожаные и т. п.) втулки 1.

Рис. 3.4.67. Муфта упругая втулочно-пальцевая

Эластичные элементы позволяют компенсировать незначительные осевые (для малых муфт 1 – 5 мм; для больших муфт 2 – 15 мм), радиальные (0,2 – 0,6 мм) и угловые (до 1°30¢) смещения валов. Упругие втулочно-пальцевые муфты обладают хорошей эластичностью, высокой демпфирующей и электроизоляционной способностью, просты в изготовлении, надежны в работе. Находят широкое применение, особенно для соединения электродвигателей с исполнительными механизмами (машинами) при d £ 150 мм. Материал полумуфт – сталь 35, 35Л или чугун СЧ25; пальцы изготовляют из стали 45.

Сцепные муфты. Сцепные муфты предназначены для соединения и разъединения валов. Некоторые типы сцепных муфт позволяют это делать на ходу, без остановки электродвигателя. Сцепные муфты иногда называют управляемыми. По принципу работы различают кулачковые и фрикционные сцепные муфты.

Кулачковые муфты (рис. 3.4.68) состоят из двух полумуфт 1 и 2, имеющих кулачки на торцовых поверхностях. Включение муфты осуществляется за счет полумуфты 2, которая может передвигаться вдоль вала по направляющей шпонке или по шлицам.

Во избежание повреждений кулачков включение муфты на ходу допускается без нагрузки при весьма малой разности угловых скоростей валов. Выключение допускается на ходу. Достоинством кулачковых муфт является простота конструкции и малые габаритные размеры, недостатком – невозможность, как правило, включения на ходу. Рекомендуемый материал кулачковых полумуфт – легированная сталь 20Х или 20ХН (с цементацией и закалкой).

Фрикционные муфты (рис. 3.4.69) в отличие от кулачковых допускают включение на ходу под нагрузкой. Фрикционные муфты передают вращающий момент за счет сил трения. В результате проскальзывания достигается плавность включения и предохранение машин от поломок.

Рис. 3.4.69.Фрикционные муфты

По конструкции фрикционные муфты делят на: дисковые (многодисковые) (см. рис. 3.4.69, а); конусные (см. рис. 3.4.69, б); цилиндрические (см. рис. 3.4.69, в). Наибольшее распротранение получили дисковые муфты.

Фрикционные муфты работают без смазочного материала (сухие муфты) и со смазочным материалом (масляные муфты). Последние применяют в ответственных конструкциях машин при передаче больших моментов. Смазывание уменьшает изнашивание рабочих поверхностей, но усложняет конструкцию муфты.

Материал для фрикционных муфт – конструкционные стали, чугун СЧ30. Фрикционные материалы (прессованную асбесто-проволочную ткань – ферродо, фрикционную пластмассу, порошковые материалы и др.) применяют в виде накладок.

Самоуправляемые муфты. Самоуправляемые муфты обеспечивают автоматическое соединение и разъединение валов при изменении заданного режима работы.

Муфты свободного хода (рис. 3.4.70) предназначены для передачи вращающего момента в одном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Ролики 3 муфты свободного хода за счет сил трения заклиниваются между поверхностями полумуфт 1 и 2.

При уменьшении скорости вращения полумуфты 1, вследствие обгона, ролики выкатываются в широкие участки вырезов, и муфта автоматически размыкается.

Муфты свободного хода работают бесшумно, допускают большую частоту включений.

В качестве материалов для муфт свободного хода рекомендуют применять стали ШХ15, 20Х, а также высокоуглеродистые инструментальные стали.

Центробежные муфты (рис. 3.4.71) служат для автоматического включения (выключения) валов при заданных угловых скоростях. Центробежная муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт 1 и 2, в пазы которых устанавливают фрикционные грузы – колодки 3.

При достижении ведущей полумуфтой заданной угловой скорости колодки 3 за счет центробежных сил прижимаются к ведомой полумуфте, и муфта включается. В показанной на рис. 3.4.71 конструкции любая из полумуфт (1 или 2) может быть ведущей. Передача вращающего момента осуществляется силами трения, значение которых пропорционально квадрату угловой скорости. Центробежная муфта допускает частые включения, обеспечивает плавное включение и имеет сравнительно небольшие габаритные размеры.

Предохранительные муфты. Предохранительные муфты допускают ограничение передаваемого вращающего момента, что предохраняет машины от поломок при перегрузках.

Наибольшее распространение получили предохранительные кулачковые, шариковые и фрикционные муфты.

От сцепных и других муфт они отличаются отсутствием механизма включения. Предохранительные кулачковые и шариковые (рис. 3.4.72, а) муфты постоянно замкнуты, а при перегрузках кулачки или шарики полумуфты 1 выдавливаются из впадин полумуфты 2, и муфта размыкается. Иначе работает предохранительная фрикционная муфта (рис. 3.4.72, б). При перегрузке за счет проскальзывания происходит пробуксовывание этой муфты (останавливается ведомый вал).

Рассмотренные на рис. 3.4.72 предохранительные муфты применяют при частых перегрузках.

Рис. 3.4.72. Муфта шариковая предохранительная

При маловероятных перегрузках применяют предохранительные муфты с разрушающимся элементом, например со срезным штифтом (рис. 3.4.73). Они просты по конструкции и малогабаритны.

Рис. 3.4.73.Муфта предохранительная со срезным штифтом:

1, 2 – полумуфты; 3 – срезной штифт; 4 – закаленные втулки

Для изготовления деталей предохранительных муфт в зависимости от типа муфты применяют конструкционные стали, чугун СЧ30, фрикционные материалы, сталь ШХ12 и др. Штифты для муфт с разрушающимся элементом из стали 45, втулки из стали 40Х с закалкой.

Краткие сведения о выборе и расчете муфт. Применяемые в машиностроении муфты стандартизованы. Муфты каждого типоразмера выполняют для некоторого диапазона диаметров вала. Основным критерием при выборе стандартных муфт является передаваемый вращающий момент.

При проектировании новых муфт конструктивные размеры элементов муфты определяют расчетом. Стандартизованные или нормализованные муфты не рассчитывают. Их, как правило, выбирают, как и подшипник качения, по таблицам справочников.

Выбор стандартных муфт. Основной характеристикой при выборе муфт является передаваемый расчетный момент:

,

где K_б и K_p – соответственно коэффициенты безопасности и режима работы (табл. 3 и 4);

Т – номинальный вращающий момент при установившемся режиме работы.

Таблица 3