Autor skryptu nie odpowiada za przypadkowe błędy !!!
1. Elementy podatne
1.1 Klasyfikacja i charakterystyka elementów podatnych
Połączenia podatne (sprężyste) mają za zadanie umożliwienie wzajemnych przesunięć części maszyn, a także kumulowanie energii, tłumienie drgań, itp. Podstawową cechą elementów podatnych jest duża odkształcalność, którą uzyskujemy przez:
- nadanie elementowi z materiału sztywnego (o dużym module sprężystości E) odpowiedniego kształtu; elementy takie nazywamy sprężynami;
- zastosowanie materiału o dużej podatności (o małym module sprężystości), gumy, różne tworzywa sztuczne.
Elementy podatne (zwłaszcza sprężyny) pracują na ogół w ciężkich warunkach, obciążenia udarowe i wysoka temperatura. Dlatego sprężyny są elementami do których stosujemy duże wymagania w zakresie precyzji, pewności działania i trwałości.
1.2 Sprężyny – wiadomości ogólne
Zadania sprężyn:
- dociskają części maszyn w czasie ich pracy;
- zapewniają zmiany położenia różnych elementów w określonych granicach;
- łagodzą uderzenia i wstrząsy;
- tłumią drgania (kasowanie luzów, kumulowanie energii, napęd drobnych mechanizmów)
Rys.1
Klasyfikacja sprężyn ze względu na kształt (rys.1):
· śrubowe walcowe (a,b) lub stożkowe (c);
· płaskie (d,e);
· spiralne (f);
· talerzowe (g);
· pierścieniowe (h).
Ze względu na rodzaj obciążenia sprężyny dzielimy na (rys.1):
· rozciągane (naciągowe b);
· ściskane (naciskowe a,c,g,h);
· zginane (d,e);
· skręcane (f).
Materiały na sprężyny powinny zapewniać dużą wytrzymałość i wysoką granicę sprężystości oraz plastyczności. Na sprężyny stosuje się najczęściej stale wysokowęglowe i stopowe, a także drut patentowany zwany też fortepianowym.
Sprężyny wykonuje się z drutów, taśm i blach, stopów metali nieżelaznych np. brązu krzemowego, brązu fosforowego, mosiądzu wysoko niklowego. Spotykamy też sprężyny wykonane z drewna lub tworzyw sztucznych.
1.3 Sztywność i praca sprężyny
Podstawowa cecha użytkowa sprężyn – sztywność. Wyrażamy ją stosunkiem F/ƒ lub M/j.
Charakterystyka sprężyn (rys.2):
Rys.2
1 i 2 – o stałej sztywności
3 – o sztywności wzrastającej (sprężyna progresywna)
4 – o sztywności malejącej (sprężyna degresywna)
Dla sprężyn o charakterystyce liniowej sztywnej wskaźnik sztywności sprężyny określamy wzorem:
C = [ ]
gdzie:
ƒ - strzałka ugięcia pod obciążeniem F;
j - kąt skręcania pod działaniem momentu M.
W wyniku odkształcenia wywołanego obciążeniem sprężyna gromadzi energię umożliwiającą wykonanie określonej pracy.
Rys.3
Wartość pracy określa zakreskowane pole (rys.3 a,b) oraz zależność:
L = lub L =
Zwiększyć efektywność pracy sprężyny to zrealizować napięcie wstępne.
L = 0,5(Fk × ƒk – Fp × ƒp)
lub
L = 0,5(Mk × jk – Mp × jp)
Podczas obciążenia sprężyna magazynuje energię. Podczas odciążenia – oddaje ją.
W wyniku tarcia wewnętrznego w metalu oraz tarcia zewnętrznego (sprężyna – obudowa) część energii ulega rozproszeniu. Straty energii obrazowane są polem Lt określone jako pętla histerezy (rys.3 c). Praca użyteczna sprężyny wynosi zatem:
Lu = L – Lt
1.4 Sprężyny śrubowe
Sprężyny śrubowe wykonujemy z drutu lub pręta okrągłego, kwadratowego, prostokątnego. W zależności od kierunku nawijania wyróżniamy sprężyny prawoskrętne i lewoskrętne. Skok sprężyny może być stały lub zmienny. Najczęściej spotykamy sprężyny walcowe, prawoskrętne o stałym skoku zwoju z drutu okrągłego. Rodzaje sprężyn śrubowych:
Rys.4
· Sprężyna walcowa z drutu o przekroju okrągłym (rys.4 a);
· Sprężyna walcowa z drutu o przekroju prostokątnym (rys.4 b);
· Sprężyna stożkowa z drutu o przekroju okrągłym (rys.4 c);
· Sprężyna stożkowa z drutu o przekroju prostokątnym (rys.4 d).
Parametry sprężyn śrubowych:
d – średnica drutu;
D – średnica podziałowa sprężyny nie obciążonej;
Dz – średnica zewnętrzna sprężyny
Dz = D + d
Dw – średnica wewnętrzna sprężyny
Dw = D – d
d – współczynnik kształtu sprężyny
d =
a – prześwit między dwoma czynnymi zwojami sprężyny;
s – skok zwojów sprężyny
s = a + d
l – długość czynnej części sprężyny;
z – liczba zwojów czynnych
z =
C – sztywność (stała sprężyny);
ƒ – strzałka ugięcia sprężyny pod określonym obciążeniem;
ƒ1 – ugięcie jednego czynnego zwoju
ƒ1 =
Przy rozpatrywaniu parametrów sprężyny w różnych fazach obciążenia do podanych oznaczeń dodaje się indeksy:
o – dla sprężyny w stanie swobodnym;
p – dla sprężyny wstępnie napiętej;
k – przy maksymalnym obciążeniu sprężyny.
1.5 Sprężyny naciskowe
Prawidłowa praca sprężyn naciskowych ma miejsce wówczas, gdy siła nacisku działa wzdłuż osi sprężyny. Zrealizować to można zeszlifowując końcowe zwoje sprężyny prostopadle do jej osi na ok. 1/2 do 3/4 obwodu lub doginając je (rys.5).
Chcąc zabezpieczyć sprężynę smukłą przed wyboczeniem, stosujemy odpowiednie zabezpieczenia:
Rys.6
1. Na powierzchniach oporowych elementy środkujące o wysokości 3/4 d (rys.6).
Rys.7
2. Wprowadzić możemy sprężynę na trzpień lub w otwór (rys.7).
Rys.8
3. Gdy wymagana jest określona zmiana położenia części współpracujących lub regulacja napięcia sprężyny stosujemy sprężyny z regulacją długości (rys.8).
aliens12