Кольцевые пружины

Кольцевые пружины

Кольцевые пружины состоят из набора чередующихся колец с наружными и внутренними коническими поверхностями (рис. 905, I).

Осевая сила, приложенная к пружинам, вызывает на конических поверхностях большие давления, которые заставляют наружные кольца расширяться, а внутренние сжиматься. Сравнительно малые радиальные деформации колец благодаря малому углу конусности преобразуются в значительные осевые перемещения колец. Сумма осевых перемещений всех колец составляет осадку пружины.

Для увеличения упругости кольцам придают корытообразное сечение (рис. 905, II). На рис. 905, III изображена рассчитанная на восприятие больших осевых нагрузок кольцевая пружина, состоящая из двух концентрических наборов колец.

Кольцевые пружины

Угол конуса β (рис. 906) делают несколько большим угла трения ϕ (tg ϕ = f, где f — коэффициент трения скольжения) с таким расчетом, чтобы при уменьшении или снятии нагрузки силы упругости, созданные в кольцах предшествующим нагружением, могли преодолеть силы трения и вызвать обратное перемещение колец, т. е. расправление пружины.

К расчету кольцевых пружин

Для пары сталь по стали f = 0,12—0,15, а ϕ = 7—9°. Практически угол конусности β выбирают равным 12—15°.

Силы трения, возникающие при перемещениях колец, обусловливают высокую демпфирующую способность кольцевых пружин. Примерно 60% энергии, воспринимаемой пружиной за цикл нагружения, переходит в необратимую работу трения и рассеивается в виде теплоты в окружающую атмосферу. По существу, кольцевая пружина представляет собой совмещение пружины и фрикционного демпфера. Кольцевые пружины незаменимы при периодических ударных нагрузках, когда необходимо, наряду с упругой амортизацией, обеспечить поглощение энергии удара и предупредить колебания системы.

Применение кольцевых пружин, напротив, противопоказано в случаях, когда пружина должна работать как аккумулятор, накапливающий энергию в цикле нагружения и отдающий ее в цикле разгружения (наиболее частый случай работы пружины). Здесь все преимущества на стороне обычных спиральных пружин, обладающих малым упругим гистерезисом и энергетически представляющих собой аккумулятор с почти стопроцентным коэффициентом полезного действия. Кольцевые пружины применяют преимущественно как пружины сжатия. При помощи реверсора (см. рис. 892) их можно применить также для восприятия растягивающих сил.

Изготовление кольцевых пружин гораздо сложнее, чем спиральных витых пружин. Для достижения максимальной прочности кольца должны изготовляться из индивидуальных заготовок, подвергнутых горячей обработке давлением (для создания нужного направления волокон) и последующей калибровке (вальцовкой или чеканкой) для придания окончательных размеров. При изготовлении колец точением из прутка или из трубы механические качества снижаются из-за неблагоприятного расположения волокон. После термообработки кольца прошлифовывают по рабочим коническим поверхностям и подвергают дробеструйной обработке или обкатыванию роликами.

Расчетными напряжениями для кольцевых пружин являются напряжения растяжения в наружных кольцах и напряжения сжатия во внутренних кольцах.

Под действием осевой нагрузки на конических поверхностях колец возникают силы, распределенные по окружности кольца. На рис. 906 эти силы на одной конической поверхности условно сведены в точку на меридиональном сечении пружины.

В результате сложения с силой трения F = N·f сила N, перпендикулярная к образующей конической поверхности, отклоняется на угол ϕ, тангенс которого tg ϕ = F/N = f.

Результирующая сила N' определяется из условия равенств осевых составляющих сил N' действующей силе Р:

Kolcevye prujiny 3

или

Kolcevye prujiny 4

Распределенная нагрузка q' от этой силы, действующая по окружности кольца,

Kolcevye prujiny 5

где Dcp — средний диаметр пружины.

Наружное кольцо растягивается распределенными силами s — радиальными составляющими сил q', действующих на нижней и верхней конических поверхностях.

Таким образом, распределенная нагрузка sp, растягивающая кольцо (и действующая подобно давлению), равна

Kolcevye prujiny 6

Подставляя в это выражение значение q' из уравнения (419), получаем

Kolcevye prujiny 7

Растягивающее напряжение в наружном кольце

Kolcevye prujiny 8

где Fн — площадь сечения наружного кольца.

Аналогично, напряжение сжатия во внутреннем кольце

Kolcevye prujiny 9

где Fв — площадь сечения внутреннего кольца.

Удлинение наружного кольца

Kolcevye prujiny 10

где Dн — средний диаметр кольца; Е — модуль упругости материала кольца.

Увеличение диаметра кольца

Kolcevye prujiny 11

Уменьшение диаметра внутреннего кольца

Kolcevye prujiny 12

где Dв — средний диаметр внутреннего кольца.

Осевое перемещение наружного кольца относительно внутреннего кольца

Kolcevye prujiny 13

Подставляя в это выражение значения σр и σсж из уравнений (420) и (421), получаем

Kolcevye prujiny 14

При равенстве площадей сечений наружного и внутреннего колец (Fн = Fв = F), иначе говоря, при равенстве абсолютных величин напряжений в наружном и внутреннем кольцах (σр = σсж = σ)

Kolcevye prujiny 15

где Dcp — средний диаметр пружины.

Под действием силы Р полная осадка пружины

Kolcevye prujiny 16

где i — общее число колец пружины, включая опорные.

Эта формула справедлива, если опорные кольца участвуют в работе пружины, упруго сжимаясь под действием нагрузки, и если напряжения в них равны напряжениям в рабочих кольцах (для этого нужно, чтобы сечение опорных колец было в 2 раза меньше сечения рабочих колец).

Если опорные кольца — внутренние и плотно центрированы в тарелках пружины (см. рис. 905, I), т. е. лишены возможности сжиматься, то формула (422) принимает следующий вид:

Kolcevye prujiny 17

Энергия, поглощаемая пружиной при одном цикле нагружение — разгрузка,

Kolcevye prujiny 18

где ζ = 0,6—0,7 — коэффициент рассеяния энергии.

Высоту колец h (см. рис. 906) обычно делают равной (3—5)·bср (bср — средняя толщина колец). Отношение Dср/bср обычно заключено в пределах 15—30.

Торцовые зазоры (е) между кольцами (см. рис. 906) должны быть согласованы с рабочей осадкой пружины. Сумма зазоров (е), равная (i—2)·е, должна быть или несколько больше максимальной осадки пружины λmах, или равна ей, если желательно создать жесткий упор во избежание перенапряжения колец при случайном превышении расчетной нагрузки. Это приводит к соотношению

Kolcevye prujiny 19

Общая длина пружины в свободном состоянии (при односторонних опорных кольцах)

Kolcevye prujiny 20

Допускаемые напряжения для кольцевых пружин принимаются равными в среднем 300—400 МПа.

Рабочие поверхности колец должны быть хорошо смазаны. У пружин многократного и частоповторного высокочастотного действия следует предусматривать средства отвода теплоты, образующейся при трении.