Типы пружин и их применение

Пружины - это механические компоненты огромной важности, используемые для осуществления движения, улучшения амортизационных возможностей и т. д. во многих продуктах. Другими словами, услуги быстрого прототипирования, такие как 3D-печать и обработка на станках с ЧПУ, могут производить различные типы пружин, используемых для осуществления и производства таких продуктов, как часы, мобильные телефоны и т. д.
Учитывая широкое применение пружин в проектировании продукции, понимание их типов, областей применения и эксплуатационных характеристик является существенным. В этой статье представлен подробный обзор различных типов пружин, их преимуществ, ограничений и практических применений.

Принцип пружины

Пружина сохраняет энергию при приложении силы и высвобождает ее после снятия давления. Обычно, независимо от типа, пружина возвращается к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.
Функциональность пружин регулируется законом Гука , который определяет соотношение между приложенной силой и упругостью пружины. Проще говоря, закон Гука гласит, что сила, необходимая для сжатия или растяжения пружины, прямо пропорциональна смещению.
Математически закон Гука выражается как F= -kX,
F = сила, приложенная к пружине
X = смещение пружины (отрицательное значение указывает на то, что восстанавливающая сила имеет противоположное направление).
k = ・коэффициент жёсткости пружины. Зависит от типа пружины и показывает ее жёсткость.

Пружины изготавливаются из разных материалов, имеют разные формы, функции и т. д., что обуславливает необходимость различных применений. Они делятся на три основные категории, каждая из которых имеет разные подкатегории.
Категория 1: Винтовые пружины
Винтовые пружины являются наиболее распространенными в производстве продукции. Скручивание проволоки в спиральную форму создает эти пружины, предлагая различные поперечные сечения. Ниже приведены типы пружин в этой категории.
Пружины сжатия
Пружины сжатия имеют открытую винтовую конструкцию с постоянным диаметром витка и переменной формой, что обеспечивает сопротивление осевому сжатию.
Самый простой пример её применения шариковая ручка, где она отвечает за эффект ｫхлопка. Также она применяется в клапанах и подвесках.
Пружины растяжения
Пружины растяжения используют закрытую спиральную конструкцию, в отличие от пружин сжатия. Они создают напряжение, накапливают энергию и используют ее для возврата к своей первоначальной форме.
Простой пример его применения гаражные ворота. Другие примеры тяговые рычаги, клещи и весы.
Пружины кручения
Два конца торсионной пружины крепятся к разным компонентам. Это удерживает их на определенном угле. Эти пружины используют радиальное направление, когда сила действует радиально из-за вращения. Более того, возможности обработки на станках с ЧПУ позволяют производить индивидуальные двухкорпусные торсионные пружины в больших объемах.
Спиральные пружины
Спиральные пружины изготавливаются путем скручивания прямоугольных металлических полос в плоские спирали. При активации они накапливают энергию и могут высвобождать ее с постоянной скоростью. Постоянное высвобождение делает их пригодными для механических часов, игрушек и кресел-реклайнеров.
Категория 2: Листовые рессоры
Листовые рессоры изготавливаются из прямоугольных металлических пластин. Прямоугольные металлические пластины обычно крепятся болтами и зажимаются, и они широко используются в тяжелых транспортных средствах. Ниже приведены различные типы листовых рессор и их применение.

• 1. Эллиптическая листовая рессора. Соединение двух полуэллиптических рессор в противоположных направлениях создает эллиптическую листовую рессору. В старых автомобилях эти рессоры крепили ось и раму, устраняя необходимость в скобах, поскольку обе полуэллиптические рессоры удлинялись одинаково при сжатии. Однако в современных автомобилях они больше не используются.
• 2. Полуэллиптическая листовая рессора. Это самые популярные листовые рессоры в автомобилях. Они сделаны из стальных листов разной длины, но одинаковой ширины и толщины. Самый верхний/длинный лист на двух концах ­- главный. Расположение стальных листов напоминает полуэллиптическую форму.
• Полуэллиптические листовые рессоры имеют один конец, жёстко закрепленный на раме транспортного средства, а другой ・на скобе. Это помогает изменять длину и поглощать удары при движении по неровной местности. Они требуют меньшего обслуживания, просты в ремонте и имеют длительный срок службы.
• 3. Четвертьэллиптическая листовая рессора. Также известная как рессора консольного типа, четвертьэллиптическая рессора также является старой. Один ее конец закреплен на боковой части рамы с помощью U-образного зажима или I-образного болта. Другой свободно соединен с передней осью. Когда балка передней оси подвергается ударной нагрузке, листы выпрямляются, поглощая удар.
• 4. Трехчетвертная эллиптическая листовая рессора. Простым примером её применения является дверная петля. Здесь, когда вы открываете дверь, пружина будет сохранять свою вращательную энергию; когда вы отпускаете дверь, она использует накопленную энергию, чтобы вернуть дверь в исходное положение. Сила вращения зависит от вращения пружины.
• Этот тип объединяет четверть-эллиптическую и полуэллиптическую рессору. Один конец полуэллиптической части крепится к раме транспортного средства, а другой соединяется с четверть-эллиптической рессорой, которая затем крепится к раме с помощью I-образного болта.
• 5. Поперечная листовая рессора. Поперечная листовая рессора создается путём установки полуэллиптической рессоры по ширине транспортного средства. Самый длинный лист расположен внизу, а средняя часть крепится к раме с помощью U-образного болта. Хотя эта конструкция использует две скобы, она может вызывать качение, что делает ее непригодной для автомобильных креплений. .

Категория 3: Дисковые пружины.

Дисковые пружины представляют собой одиночные или множественные пружины, сложенные вместе в последовательном или параллельном расположении, что позволяет им поглощать высокие нагрузки в ограниченном пространстве. Типы дисковых пружин включают:
1. Тарельчатая пружина.
Также известная как конусообразная дисковая пружина, дисковая пружина Белвилля имеет чашеобразную конструкцию. Они не лежат плоско. Вместо этого они принимают каноническую форму, которая сжимается и позволяет им выдерживать большие нагрузки.
2. Изогнутая дисковая пружина.
Также известные как серповидные шайбы, они оказывают легкое давление на сопрягаемую часть, чтобы противостоять ослаблению в результате вибрации. Они подходят для равномерного распределения нагрузки на резьбовые болты, винты и гайки в машинах, которые производят постоянную вибрацию.
3. Пружина дисковая с прорезями.
Пазы на внешнем и внутреннем диаметре диска создают щелевую дисковую пружину. Такая конструкция снижает нагрузку и увеличивает прогиб, благодаря чему щелевые дисковые пружины широко используются в автоматических трансмиссиях, сцеплениях и предохранительных муфтах.
4. Волновые дисковые пружины.
Волновые дисковые пружины имеют несколько волн на оборот и подходят для обеспечения нагрузки. Они могут действовать как подушка, поглощая напряжение, вызванное осевым сжатием.

Материалы, используемые для изготовления пружин

Вопреки распространенному мнению, что пружины изготавливаются только из железа, они изготавливаются из различных материалов. Эти материалы влияют на свойства, типы и применение пружин. Ниже приведены некоторые распространенные используемые материалы:
Сплав бериллиевой меди
Пружины из этого сплава обладают высокой прочностью, низкой ползучестью и превосходной проводимостью. Они идеально подходят для формирования сложных форм, что делает их пригодными для использования в музыкальных инструментах, измерительных приборах.
Керамика
Керамический материал подходит для изготовления пружин, используемых при очень высоких температурах. Он устойчив к истиранию, воде и очень твердый. Он также имеет низкий коэффициент трения и низкую плотность.
Однонаправленные стекловолокнистые композитные материалы.
Однонаправленный стекловолоконный композитный материал представляет собой армированное стекловолокно, обладающее высокой прочностью. Поэтому производители теперь рассматривают его как потенциальный материал для изготовления всех пружин.
Резина/уретан.
Эти материалы подходят для производства пружин с цилиндрической/не спиральной конструкцией. Они безопасны и надежны, и благодаря своим непроводящим свойствам они применяются в изделиях, где всегда есть проблемы с магнетизмом, коррозией и вибрацией.
Стальные сплавы.
Стальной сплав является наиболее часто используемым материалом для пружин благодаря своей превосходной прочности и долговечности. Хотя его можно улучшить другими материалами, его основные свойства остаются высоконадежными.

Пружины являются неотъемлемой частью многих механизмов обеспечивая гибкость, накопление энергии и точное управление. Включая их в свои проекты, вы можете улучшить функциональность и решать механические проблемы с большей эффективностью. Давайте углубимся в то, как пружины могут повысить ценность ваших проектов.
Лучшая амортизационная способность.
Пружины широко применяются во многих продуктах, поскольку они могут уменьшить воздействие удара, поглощая его. Когда механизм испытывает удар, пружина сжимается и расслабляется, поглощая его. Следовательно, они являются важными частями транспортных средств.
Хранение энергии.
Спиральная пружина может служить альтернативой батарейке. При приложении силы она генерирует энергию и непрерывно ее высвобождает, что делает ее важнейшим компонентом механических часов.
Механизм присоединения.
С помощью пружины можно соединить две части узла или детали вместе. Например, они применяются в гараже, дверях и весовых машинах для соединения двух частей для функционирования.
Стабильность продукта.
Благодаря использованию в качестве амортизирующей способности пружины обеспечивают устойчивость изделий, в которых они используются. Устойчивость изделий может также быть формой снижения трения и вибрации деталей.

Недостатки пружин в машиностроении

Несмотря на свою полезность, пружины имеют ограничения, которые могут повлиять на результаты проектирования.
Ограничения по размеру и весу.
Для работы с высокими нагрузками могут потребоваться пружины большого размера и веса, что создает проблемы в условиях ограниченного пространства или в условиях, когда важен вес, усложняет конструкцию и может повлиять на эффективность системы.
Требования к комплексному проектированию.
Проектирование пружин, соответствующих определенным критериям силы и деформации, может быть сложным, требующим тщательного учета свойств материалов, пространственных ограничений и желаемых характеристик, что часто приводит к запутанным и трудоемким процессам проектирования.
Со временем они теряют свой эффект.
Пружины теряют свою силу со временем из-за одновременного сжатия и расслабления. Это зависит от материала, из которого они сделаны. В конце концов, они перестанут подчиняться закону Гука, т. е. не вернутся к исходной форме при деформации.

Заключение
Современные пружины различаются по функциям и характеристикам в зависимости от материалов, конструкции и производственных процессов. При выборе пружины для вашего изделия крайне важно тщательно оценить эти факторы.

Часто задаваемые вопросы

Какие три типа пружин существуют?
Существует три основных типа:: винтовые, дисковые и листовые пружины. Каждая категория включает в себя различные подтипы. Например, винтовые типы включают кручение, растяжение, спираль и сжатие.
Какие существуют типы винтовых пружин?
Винтовые пружины бывают четырех типов, каждый из которых имеет свое применение: кручение, растяжение, спираль и сжатие.
Какой тип пружины наиболее распространён?
Наиболее распространенным типом является торсионная пружина, которая имеет два конца, прикрепленных к разным компонентам для поддержания определенного угла. Например, в дверной петле, когда дверь открывается, пружина сохраняет вращательную энергию. При освобождении сохраненная энергия возвращает дверь в исходное положение