Характеристика пружин

Пружина - пружний елемент, призначений для накопичення і поглинання механічної енергії.

Пружина може бути виготовлена з будь-якого матеріалу, що має досить високі характеристики міцності і пружні властивості (сталь, пластмаса, дерево, фанера, навіть картон).

Сталеві пружини загального призначення виготовляють з високовуглецевих сталей (У9А-У12А, 65, 70), легованих марганцем, кремнієм, ванадієм (65Г, 60С2А, 65С2ВА). Для пружин, що працюють в агресивних середовищах, застосовують нержавіючу сталь (12Х18Н10Т), берилієву бронзу (БрБ-2), кремнемарганцеву бронзу (БрКМц3-1), олов’яноцинкову бронзу (БрОЦ-4-3).

Невеликі пружини можна навивати з готового дроту, в той час як потужні виготовляються з відпаленої сталі і проходять термообробку вже після формування.

Види пружин

• По виду сприйманого навантаження:
• пружини стиснення
• пружини розтягування
• пружини кручення;
• пружини вигину.

Пружини розтягування - розраховані на збільшення довжини під навантаженням. У ненавантаженому стані зазвичай мають зімкнені витки.

На кінцях для закріплення пружини на конструкції є гачки або кільця.

Пружини стиску - розраховані на зменшення довжини під навантаженням. Витки таких пружин без навантаження не торкаються один одного.

Кінцеві витки підтискають до сусідніх і торці пружини шліфують. Довгі пружини стиснення, щоб уникнути втрати стійкості, ставлять на оправлення або склянки.

Витки пружин розтягування - стиснення під дією постійної за величиною сили відчувають напруги двох видів: вигину і крутіння.

Пружини крутіння - можуть бути двох видів:

торсіонні - стрижень, який працює на кручення (має більшу довжину, ніж кручена пружина)
кручені пружини, що працюють на кручення (як в білизняних прищіпках, в мишоловці і в канцелярських діркопробивачах).

За конструкцією:

• кручені циліндричні (гвинтові);
• кручені конічні (амортизатори);
• спіральні (в балансі годин);
• плоскі;
• пластинчасті (наприклад, ресори);
• тарілчасті;
• торсіонні;

Характеристики пружин

Для кручених циліндричних і конічних:

• діаметр пружини
• кількість витків
• крок витка
• діаметр дроту
• гранично можливе навантаження
• також втомні характеристики.

Втомна міцність (втомна довговічність) - властивість матеріалу не руйнуватися з часом під дією  робочих навантажень, які змінюються.

У більшості випадків це циклічні навантаження. Руйнування відбувається через появу мікроруйнування, їх накопичення, потім об'єднання в одне макроруйнування.

Накопичення мікропошкодження образно називають «втомою», а втомна міцність тоді є здатність матеріалу не «втомлюватися» і тримати навантаження.

Для кожного матеріалу існує так звана межа втомної міцності, яка значно менша за його межі міцності. Межа втомної міцності передбачає можливість витримувати навантаження нескінченне число циклів, що в житті звичайно ж недосяжно, однак втомна крива для максимально допустимих напружень, після проходження межі втомної міцності значно випрямляється. На міцність від утоми впливають не тільки число циклів і величина діючого навантаження, але і амплітуда напружень в матеріалі, що виникає в результаті діючої змінної в часі навантаження. Таким чином, в деяких випадках, для визначення втомної міцності необхідно брати амплітуду зміни напруги, а не максимально зафіксовану напругу по модулю.

Теорія

З точки зору класичної фізики, пружину можна розглядати як пристрій, що нагромаджує потенційну енергію шляхом зміни відстані між атомами еластичного матеріалу.

В теорії пружності законом Гука встановлено, що розтягнення еластичного стрижня пропорційно прикладеної до нього силі, спрямованої уздовж його осі.

У реальності цей закон виконується не точно, а тільки при малих розтягненнях і стисненнях. Якщо напруга перевищує певну межу (межа плинності) в матеріалі наступають незворотні порушення його структури, і деталь руйнується або отримує необоротну деформацію. Слід зазначити, що багато реальних матеріалів не мають чітко визначеної межі текучості, і закон Гука до них непридатний. В такому випадку, для матеріалу встановлюється умовна границя плинності.

Кручені металеві пружини перетворять деформацію стиску / розтягання пружини в деформацію кручення матеріалу з якого вона виготовлена, і навпаки, деформацію кручення пружини в деформацію розтягування і вигину металу, багаторазово посилюючи коефіцієнт пружності за рахунок збільшення довжини дроту, що протистоїть зовнішньому впливу.