Пружина

Пружина — это упругий элемент конструкции, предназначенный для накопления и отдачи механической энергии за счёт обратимого изменения своей формы (деформации) под действием внешней нагрузки. Пружины являются основными компонентами многих механизмов, машин и приборов, выполняя функции амортизации, создания усилия, возврата в исходное положение, измерения силы и накопления энергии.

История

Первые известные прототипы пружин появились в эпоху бронзового века. В Древнем Египте и Древней Греции использовались упругие элементы из скрученных жил животных или гибких ветвей для луков и арбалетов. Однако металлические пружины в современном понимании начали применяться в механизмах с XV века. В 1493 году Леонардо да Винчи в своих эскизах изобразил спиральную пружину для часового механизма. Первые промышленные образцы винтовых пружин из закалённой стали появились в Англии в XVIII веке. В 1763 году английский изобретатель Джеймс Уатт применил пружину в паровой машине для регулирования давления. В России массовое производство пружин началось в XIX веке на тульских и ижевских оружейных заводах, где они использовались в ударно-спусковых механизмах ружей и пистолетов.

Классификация

Пружины классифицируют по нескольким основным признакам.

По форме и конструкции

• Винтовые цилиндрические пружины — наиболее распространённый тип. Представляют собой спираль из проволоки круглого или прямоугольного сечения, навитую на цилиндрическую оправку. Бывают сжатия (работают на сжатие), растяжения (работают на растяжение) и кручения (работают на скручивание).
• Конические пружины — имеют переменный диаметр витков. Используются для получения нелинейной характеристики, когда жёсткость возрастает по мере сжатия.
• Тарельчатые пружины — выполнены в виде конических шайб (тарелок), которые могут устанавливаться поодиночке или в пакетах. Применяются в клапанах, прессах, амортизаторах.
• Пластинчатые (листовые) рессоры — состоят из нескольких стальных листов разной длины, собранных в пакет. Традиционно используются в подвесках автомобилей, железнодорожного подвижного состава и других транспортных средств.
• Спиральные пружины — плоские спирали из ленты или проволоки. Применяются в часовых механизмах, измерительных приборах (динамометры), электрических контактах.
• Кольцевые пружины — состоят из набора стальных колец, которые при сжатии деформируются, обеспечивая высокое демпфирование. Используются в тяжёлых амортизаторах, например, в железнодорожных буферах.
• Пневматические и гидравлические пружины — не являются механическими пружинами в классическом смысле, но выполняют аналогичную функцию за счёт сжатия газа или жидкости в замкнутом объёме.

По материалу

• Стальные пружины — изготавливаются из углеродистых (пружинная сталь марок 65Г, 60С2А, 50ХФА) и легированных сталей. Обеспечивают высокую упругость и долговечность.
• Цветные металлы — бронза, латунь, бериллиевая бронза. Используются в условиях коррозии, при высоких температурах или в электрических контактах.
• Полимерные пружины — изготавливаются из пластмасс (полиамиды, полиуретаны, фторопласты). Применяются в химической промышленности, медицине, пищевом оборудовании.
• Композитные пружины — изготавливаются из стеклопластика, углепластика. Используются в авиастроении, спортивном инвентаре (луки, арбалеты).

По назначению

• Силовые — создают усилие (например, в клапанах, зажимах, замках).
• Амортизирующие — смягчают удары и вибрации (подвески автомобилей, амортизаторы).
• Возвратные — возвращают деталь в исходное положение (пружины сцепления, тормозных колодок).
• Измерительные — используются в динамометрах, манометрах, весах.
• Накопительные — накапливают энергию для последующей отдачи (пружины часов, механических игрушек, пусковых устройств).

Характеристики и параметры

Основные характеристики пружины:

• Жёсткость (k) — отношение силы, приложенной к пружине, к величине её деформации. Измеряется в Н/м (ньютон на метр). Для линейных пружин жёсткость постоянна (закон Гука: F = k·Δx).
• Усилие (F) — сила, развиваемая пружиной при заданной деформации.
• Рабочий ход (Δx) — величина деформации, при которой пружина сохраняет упругие свойства.
• Предельная деформация — максимальная деформация, после которой наступает пластическая деформация или разрушение.
• Энергоёмкость — количество энергии, которое может накопить пружина. Для линейной пружины: E = (k·Δx²)/2.
• Долговечность (ресурс) — количество циклов нагружения до разрушения или потери упругости.

Устройство и изготовление

Винтовые пружины изготавливают из проволоки, которая навивается на оправку (дорн) на специальных станках — пружинонавивочных автоматах. После навивки пружины подвергаются термической обработке: закалке (нагрев до температуры 800–900°C с последующим быстрым охлаждением) и отпуску (нагрев до 300–450°C для снятия внутренних напряжений). Для повышения усталостной прочности применяют дробеструйную обработку (наклёп поверхности). Тарельчатые пружины штампуют из листовой стали, затем закаливают. Листовые рессоры собирают из отдельных листов, которые стягиваются центральным болтом и хомутами.

Применение

Пружины используются практически во всех отраслях техники и промышленности:

• Машиностроение: подвески автомобилей, тракторов, железнодорожных вагонов; амортизаторы; клапаны двигателей; сцепления; тормозные механизмы; прессы; штампы.
• Приборостроение: измерительные приборы (динамометры, манометры, весы); часовые механизмы; автоматические выключатели; реле; контакты.
• Электротехника: пружинные контакты в разъёмах, выключателях, реле; пружины в электромагнитных приводах.
• Бытовая техника: пружины в дверцах холодильников, стиральных машин, пылесосов; в кухонных весах; в механических замках.
• Спорт и оружие: пружины в ружьях (ударно-спусковой механизм), арбалетах, луках, тренажёрах (эспандеры).
• Медицина: пружины в хирургических инструментах, ортопедических аппаратах, протезах.
• Авиация и космонавтика: пружины в шасси, системах управления, амортизаторах, механизмах раскрытия солнечных батарей.

Интересные факты

• Крупнейшая в мире пружина (винтовая, сжатия) была изготовлена в 2005 году в США. Её масса составляла около 12 тонн, диаметр — 1,8 метра, высота — 3,6 метра.
• В России на Ижевском механическом заводе в 1970-х годах была выпущена пружина для гидравлического пресса усилием 1000 тонн, масса которой превышала 5 тонн.
• Пружины из сплава с памятью формы (например, нитинол) могут восстанавливать исходную форму при нагреве, что используется в термочувствительных приводах.
• Самая маленькая пружина в мире была создана в 2008 году в Германии из углеродных нанотрубок. Её диаметр составлял около 10 нанометров.

Источники

• ГОСТ 13765-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Технические условия».
• ГОСТ 3057-90 «Пружины тарельчатые. Технические условия».
• Пономарёв С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. «Расчёты на прочность в машиностроении». — М.: Машгиз, 1958.
• Феодосьев В.И. «Сопротивление материалов». — М.: Наука, 1986.
• Энциклопедия машиностроения. Том IV-2 «Детали машин. Пружины». — М.: Машиностроение, 1995.