Расчет пружин сжатия и растяжения

    1. Исходными величинами для определения размеров пружин являются силы F₁ и F₂ , рабочий ход h, наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или при разгрузке v_max, выносливость N_p и наружный диаметр пружины D₁ (предварительный).Если задана только одна F₂ сила то вместо рабочего хода h для подсчета берут величину рабочей деформации S    ₂, соответствующую заданной силе.

    2. По величине заданной выносливости N_p предварительно определяют принадлежность пружины к соответствующему классу по табл. 1.

    3. По заданной силе F₂ и крайним значениям инерционного зазора δ вычисляют по формуле (2) значение силы F₃.

    4. По значению F₃, пользуясь табл. 2, предварительно определяют разряд пружины.

    5. По табл. 11-17 находят строку, в которой наружный диаметр витка пружины наиболее близок к предварительно заданному значению D₁. В этой же строке находят соответствующие значения силы F₃ и диаметра проволоки d.

    6. Для пружин из закаливаемых марок сталей максимальное касательное напряжение τ₃ находят по табл. 2, для пружин из холоднотянутой и термообработанной τ₃ вычисляют с учето значений временного сопротивления R_m. Для холоднотянутой проволоки R_m определяют из ГОСТ 9389-75, для термообработанной - из ГОСТ 1071-81.

    7. По полученным значениям F₃и τ₃, a также по заданному значению F₂ по формулам (5) и (5а) вычисляют критическую скорость v_k и отношение v_max / v_k, подтверждающее или отрицающее принадлежность пружины к предварительно установленному классу. При несоблюдении условий v_max / v_k < 1 пружины I и II классов относят к последующему классу или повторяют расчеты, изменив исходные условия. Если невозможно изменение исходных условий, работоспособность обеспечивается комплектом запасных пружин.

    8. По окончательно установленному классу и разряду в соответствующей таблице на параметры витков пружин, помимо ранее найденных величин F₃, D₁ и d, находят величины c₁ и s₃, после чего остальные размеры пружины и габариты узла вычисляют по формулам (6)-(25).

Ниже рассматриваются винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения из стали круглого сечения с индексами i = d/D от 4 до 12.

Приводимые данные распространяются на пружины для работы при температурах от -60 до +120°С в неагрессивных средах. Пружины разделяют на классы, виды и разряды (см. ниже).

Класс пружин характеризует режим нагружения и выносливости, а также определяет основные требования к материалам и технологии изготовления.

Разряды пружин отражают сведения о диапазонах сил, марках применяемых пружинных сталей, а также нормативах по допускаемым напряжениям.

Отсутствие соударения витков у пружин сжатия определяется условием v_max / v_k < 1,
где,
v_max - наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или при разгрузке, м/с;
v_k - критическая скорость пружин сжатия, м/с (соответствует возникновению соударения витков пружины от сил инерции).

При определении размеров пружин необходимо учитывать, что при v_max> v_k, помимо касательных напряжений кручения, возникают контактные напряжения от соударения витков, движущихся по инерции после замедления и остановок сопрягаемых с пружинами деталей. Если соударение витков отсутствует, то лучшую выносливость имеют пружины с низкими напряжениями τ₃, т.е. пружины класса I по табл. 1, промежуточную - циклические пружины класса II и худшую - пружины класса III.

При наличии интенсивного соударения витков выносливость располагается в обратном порядке, т.е. повышается не с понижением, а с ростом τ₃. В таком же порядке располагается и стойкость, т.е. уменьшение остаточных деформаций или осадок пружин в процессе работы.

Класс пружин	Вид пружин	Нагружение	Выносливость NF (установленная безотказная наработка), циклы, не менее	Инерционное соударение витков
I	Сжатия и растяжения	Циклическое	1x107	Отсутствует
II		Циклическое и статическое	1x105
III	Сжатия	Циклическое	2x103	Допускается

   Примечание. Указанная выносливость не распространяется на зацепы пружин растяжения.

			Сила пружины при максим. деформации F3, H	Диаметр проволоки (прутка) d, мм	Материал		Твердость после термооб­работки HRC	Макси­мальное касательное напряжение при кручении τ3, МПа
					Марка стали	Стандарт на заготовку
I	1		1 - 850	0,2 - 5,0	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	-	0,3Rm		ГОСТ 13766
	2		1 - 800			Проволока классов II и IIА по ГОСТ 9389				ГОСТ 13767
			22,4 - 800	1,2 - 5,0	51ХФА-Ш по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 1071		0,32Rm
	3		140 - 60000	3,0 - 12,0	60С2А, 65С2ВА, 70СА3 по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	47,5...53,5	560		ГОСТ 13768
					51ХФА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	45,5...51,5
	4		2800 - 180000	14 - 70	60С2А, 65С2ВА, 70С3А, 60С2, 60С2ХА, 60С2ХФА, 51ХФА по ГОСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	44,0...51,5	480		ГОСТ 13769
II	1		1,5 - 1400	0,2 - 5,0	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	-	0,5Rm		ГОСТ 13770
	2		1,25 - 1250			Проволока класса II и IIA по ГОСТ 9389				ГОСТ 13771
			37,5 - 1250	1,2 - 5,0	51ХФА-Ш по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 1071		0,52Rm
	3		236 - 10000	3,0 - 12,0	60С2А, 65С2ВА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	47,5...53,5	960		ГОСТ 13772
					65Г по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 2771
					51ХФА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	45,5...51,5
	4		4500 - 280000	14 - 70	60С2А, 60С2, 65С2ВА, 70С3А, 51ХФА, 65Г, 60С2ХФА, 60С2ХА по ГСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	44,0...51,5	800		ГОСТ 13773
III	1		12,5 - 1000	0,3 - 2,8	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	-	0,6Rm	-	ГОСТ 13774
	2		315 - 14000	3,0 - 12,0	60С2А, 65С2ВА, 70С3А по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	54,5...58,0	13509		ГОСТ 13775
	3		6000 - 20000	14 - 25	60С2А, 65С2ВА, 70С3А по ГОСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	51,5...56,0	1050		ГОСТ 13776

   Примечания:
1. Максимальное касательное напряжение при кручении приведено с учетом кривизны витков.
2. R_m - предел прочности пружинных материалов

    Средствами регулирования выносливости и стойкости циклических пружин в рамках каждого класса при неизменных заданных значениях рабочего хода служат изменения разности между максимальным касательным напряжением при кручении τ₃ и касательным напряжением при рабочей деформации τ₂.
    Возрастания разности τ₃ - τ₂ обусловливают увеличение выносливости и стойкости циклических пружин всех классов при одновременном возрастании размеров узлов. Уменьшение разностей τ₃ - τ₂ сопровождается обратными изменениями служебных качеств и размеров пространств в механизмах для размещения пружин.
   Для пружин I класса расчетные напряжения и свойства металла регламентированы так, что при ν_max/ ν_k ≤ 1 обусловленная выносливость пружин при действии силы F₁ (сила пружины при предварительной деформации) не менее 0,2F₃ (сила пружины при максимальной деформации) обеспечивается при всех осуществимых расположениях и величинах рабочих участков на силовых диаграммах разности напряжений τ₃ - τ₂, и τ₂ - τ₁, (касательное напряжение при предварительной деформации).
   Циклические пружины II класса при ν_max/ ν_k ≤ 1 в зависимости от расположения и размера рабочих участков могут быть поставлены в условия как неограниченной, так и ограниченной выносливости.
   Циклические пружины III класса при всех отношениях ν_max/ ν_k и относительном инерционном зазоре пружин δ не более 0,4 характеризуются ограниченной выносливостью, поскольку они рассчитаны на предельно высокие касательные напряжения кручения, к которым при ν_max/ ν_k > 1 добавляются контактные напряжения от соударения витков.
   Все статические пружины, длительно пребывающие в деформированном состоянии и периодически нагружаемые со скоростью ν_max/ ν_k, относятся ко II классу. Вводимые ограничения расчетных напряжений и свойств проволоки (см. табл. выше) обеспечивают неограниченную стойкость статических пружин при остаточных деформациях не более 15% максимальной деформации s₃.
   Допустимые остаточные деформации статических пружин регламентируются координацией сил пружины при рабочей деформации s₃ на силовых диаграммах, причем увеличение разности F₃ - F₂ способствует уменьшению остаточных деформаций.
   Технологические средства регулирования выносливости и стойкости пружин определяются документацией на технические требования.

1. Пружина сжатия из проволоки круглого сечения с неподжатыми и нешлифованными крайними витками.

2. Пружина сжатия с поджатыми по 3/4 витка с каждого конца и шлифованными на 3/4 окружности опорными поверхностями.

3. Пружины растяжения из проволоки круглого сечения с зацепами, открытыми с одной стороны и расположенными в одной плоскости.

Длину пружин сжатия рекомендуется принимать L_o <= (D₁ - d).

Можно брать L_o до 5 х (D - d), но тогда пружины должны работать на направляющем стержне или в направляющей гильзе. При этом между пружиной и сопрягаемой деталью выдерживают зазор z в зависимости от величины среднего диаметра D пружины.

Похожие документы:

чертеж пружины сжатия;
чертеж пружины параболоидной;
расчет пластинчатой пружины изгиба;
расчет пружин кручения из круглой проволоки;
ГОСТ 13764-86 " Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Классификация";
ГОСТ 13766-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13767-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13768-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13769-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия 1 класса, разряда 4 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13770-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13771-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13772-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13773-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия II класса, разряда 4 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13774-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13775-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков";
ГОСТ 13776-86 "Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков".