Расчетные напряжения пружин

Расчетные напряжения пружин

Расчетные напряжения пружин

Расчетные напряжения устанавливают с учетом следующих факторов:

- прочности материала на кручение (в случае пружин растяжения-сжатия) или изгиб (в случае пружин кручения);

- масштабного фактора (диаметра проволоки);

- состояния поверхности витков (чистоты отделки, наличия поверхностного упрочнения, обезуглероживания поверхностного слоя и т. д.);

- условий работы пружины (рабочей температуры, наличия коррозионных сред, возможности истирания витков пружины и т. д.);

- степени ответственности пружины (последствий потери упругости или поломки пружины, возможности аварий при поломке);

- условий приложения нагрузки (степени внецентренности нагрузки);

- характера нагружения пружины.

По характеру нагружения различают три основных расчетных случая.

Случай I. Статическая нагрузка. Пружины подвергаются постоянной нагрузке или периодическим нагрузкам с плавным изменением величины нагрузок.

Примером таких пружин могут служить пружины фиксаторов и стопоров, тормозные, завидные и накопительные пружины, пружины запорных редукционных и предохранительных клапанов, регуляторов, уравновешивающих механизмов и т. д.

Случай II. Динамическая нагрузка ограниченной продолжительности. Пружины подвергаются периодической ударной нагрузке или циклической пульсирующей нагрузке при сроке службы, соответствующем не более 100000 циклов.

Примером таких пружин могут служить пружины быстрозапорных клапанов стрелкового оружия, спуски, периодически действующие амортизаторы и буфера, рабочие пружины автоматов, пружины кулачковых механизмов при невысокой частоте вращения и т. д.

Случай III. Динамическая нагрузка неограниченной продолжительности. Пружины подвергаются высоким циклическим нагрузкам в течение неограниченно длительного времени.

Примером таких пружин могут служить пружины быстроходных кулачковых механизмов, в частности клапанные пружины двигателей внутреннего сгорания; амортизаторы непрерывного действия, в частности буфера транспортных машин, пружины вибраторов, ротационных ковочных машин и т. д.

В случае I пружины следует рассчитывать по пределу текучести при кручении (для пружин растяжения-сжатии) или изгибе (для пружин кручения) с введением коэффициента запаса не менее 2. В случае II пружины следует рассчитывать также по пределу текучести, но с увеличением коэффициента запаса в 1,3—1,5 раза. В случае III пружины следует рассчитывать по пределу выносливости с введением коэффициента запаса 1,3—1,5.

Для ответственных пружин, поломка которых может вызвать аварийные последствия, принимают коэффициент запаса 2—2,5, т. е. их рассчитывают с повышенными запасами прочности.

Приведенные выше рекомендации носят во многом академический характер. Из них, например, вытекает, что неответственные пружины статического нагружения могут иметь наиболее высокие рабочие напряжения. На практике этого никогда не делают, а назначают для этих пружин самые низкие напряжения, при которых пружина сохраняет конструктивно приемлемые размеры. Высокие рабочие напряжения, напротив, часто встречаются в ответственных пружинах циклического нагружения, например, в клапанных пружинах. Это объясняется не только применением для подобных пружин высококачественных материалов, но и необходимостью в таких механизмах всемерно сокращать габариты и массу самих пружин и связанных с ними деталей, непосредственно определяющих циклические нагрузки в механизме.

Как общее правило, при конструировании пружин следует назначать наиболее низкие напряжения, совместимые с условием получения требуемых несущей способности и осадки в конструктивно приемлемых габаритах. Повышенные запасы прочности страхуют от поломок в результате воздействия трудно учитываемых факторов, таких как, например, нарушений технологии изготовления и термообработки пружин, местных дефектов в материале пружин, не всегда вскрываемых даже тщательным контролем.

Назначать повышенные напряжения следует очень осторожно. Повышение напряжений не только связано с известным риском, но и резко удорожает изготовление, так как требует применения дорогих легированных сталей, строгого соблюдения режимов термообработки, тщательного контроля, испытания, приемки и отбраковки пружин. Очень полезно сверяться с данными о конструкциях, проверенных длительной эксплуатацией.

В исполненных конструкциях напряжения колеблются в пределах 400—700 МПа. Чаще всего напряжения составляют 400—500 МПа. Эта цифра имеет довольно стабильный характер для пружин общего назначения, изготовленных из углеродистых или недорогих легированных сталей (марганцовистые и кремниевые стали), работающих в условиях статического нагружения (расчетный случай I) или в условиях динамического нагружения с ограниченным общим числом циклов (расчетный случай II). Такой же порядок имеют напряжения в пружинах, изготовленных из качественных сталей (вольфрамокремнистые, хромокремневанадиевые, хромованадиевые стали), работающих в условиях длительного динамического нагружения (расчетный случай III).

Более высокие напряжения допускают только в особых условиях при ограниченности габаритов, диктующей сокращение размеров пружин; при высокой частоте циклического нагружения, требующей уменьшения массы пружин, и т. д., и то только при определенной длительности циклов (расчетный случай II). В пружинах стрелкового оружия, например, напряжения иногда доводят до 103 МПа.