Матеріали та виготовлення пружин

⇐ ПредыдущаяСтр 33 из 49Следующая ⇒

Пружини виготовляють із вуглецевих і легованих сталей з вмістом вуглецю 0,5...1,1%. Із вуглецевих сталей 65, 70, 75, 85 виготовляють пружини з діаметром дроту до 10 мм. Із легованих сталей 65Г, 55ГС виготовляють пружини, які працюють при високих напруженнях і температурах, а також пружини з великими перерізами дроту (діаметром 20...30 мм) для забезпечення гартування на повний переріз.

Присадка кремнію до 2% підвищує пружні якості сталі. Ванадій 0,1...0,2% і вольфрам до 1,2% підвищують механічні властивості і термостійкість.

Для пружин відповідального призначення застосовують вольфрамокремнієві і хромокремнієвованадієві сталі, які мають найбільш високі механічні властивості. Так, наприклад, листові ресори виготовляють із кремнієвої сталі 60С2 і 60С2А.

Пружини, які працюють при підвищених температурах, виготовляють із хромованадієвих сталей типу 50ХФА (термостійкість до 300°С). Для пружин, які працюють при температурах вище 500°С, застосовують спеціальні сталі з підвищеним вмістом , , , . Модуль пружності пружинних сталей , модуль зсуву .

Значного підвищення опору втомленості пружин можна добитися поліруванням і нагартуванням поверхневого шару. Границя витривалості складає 400...500 МПа.

Міцність пружних сталей дуже залежить від діаметру дроту, різко зростаючи при зменшенні діаметра. Міцність матеріалу дроту діаметром 1 мм приблизно в два рази перевищує міцність матеріалу дроту діаметром 8 мм.

Для виготовлення пружин, які працюють в умовах підвищеної вологості або в агресивному середовищі, застосовують корозійностійку сталь 40Х13 або сплави на основі міді, наприклад, оловянистоцинкову бронзу БрОЧЦЗ, кремнієвомарганцовисту бронзу БрКЗМцІ, або берилієву бронзу БрБ2.

Модуль пружності сплавів на мідній основі , модуль зсуву . Границя міцності складає 800...1000 МПа, а границя міцності при крученні – 500...600 МПа.

Пружини із сплавів на мідній основі парамагнітні і застосовуються в тих випадках, коли необхідно виключити вплив магнітних полів.

Гвинтові пружини із дроту малого діаметру (до 10 мм) з відношенням середнього діаметру пружини до діаметру дроту виготовляють навиванням в холодному стані. Пружини з відношенням , а також пружини із дроту діаметрів навивають в горячому стані.

При холодному навиванні можливі два варіанти:

– дріт навивають в термообробленому стані або після холодного волочіння, потім піддають низькому відпуску (200..300°С) для зняття напружень, які виникли при навиванні;

– дріт навивають у відпаленому стані, а потім піддають гартуванню і відпуску.

За першим варіантом виготовляють пружини із вуглецевих сталей діаметром 0,2...8 мм, а також із кремнієвольфрамових і хромованадієвих сталей.

Аналогічно виготовляють пружини із холоднокатаного дроту, який випускається трьох класів міцності: нормального , підвищеного і високого .

За другим варіантом виготовляють пружини із легованих сталей (крім кремнієвольфрамових і хромованадієвих сталей). Після навивання пружини гартують в маслі при температурі 800...850°С з наступним середнім відпуском при температурі 400...500°С.

Для запобігання зневуглецювання поверхневого шару нагрівання для гартування проводять під захисним шаром деревовугільного порошку, або чавунних ошурок.

Пружини, які навиваються в гарячому стані, піддають після навивання обов’язковій термообробці. Навивання виконують при температурі 800...1000°C.

Пружини із бронз БрО4ЦЗ і БрКЗМцІ навивають в стані постачання, а потім нагрівають до 100...150°С для зняття напружень. Пружини із берилієвих бронз гартують в воді з температурою 800°С, затим піддають низькому відпуску при 250...350°С.

Гвинтові пружини стиску, витки яких працюють на кручення, зміцнюють заневоленням. Зміцнення заневоленням основано на створенні в зовнішніх найбільш напружених волокнах витків попередніх напружень, зворотніх за знаком робочим напруженням.

Заневолення заключаться в стиску пружини навантаженням, яке перевищує робоче навантаження з таким розрахунком, щоб напруження зсуву в крайніх волокнах витків перевищили границю текучості і щоб матеріал на цих ділянках набув залишкових деформацій. Пружину витримують під заневолюючим навантаженням на протязі 36...48 годин, після чого навантаження знімають.

Пружна віддача серцевини витків, яка не набула залишкових деформацій, створює в деформованих волокнах напруження зсуву, зворотні за знаком робочим напруженням. Якщо прикласти до пружини робоче навантаження, то в результаті складання робочих напружень з попередньо створеними напруженнями зсуву, напруження в крайніх волокнах будуть значно менші тих, які виникли б в пружині, не підданій заневоленню.

Заневоленню піддають тільки пружини, які працюють при статичних навантаженнях, або при періодичних динамічних навантаженнях з обмеженим загальним числом циклів.

Кінцевою операцією виготовлення пружин є нанесення покриття з метою попередження корозії. Стальні пружини оцинковують, кадмують, нікелюють, хромують і ін.

Розрахунок гвинтових пружин

В основу типового розрахунку пружини стиску-розтягу покладено припущення, що зовнішнє навантаження направлено по осі пружини.

Нехай в любому поперечному перерізі витка пружини при її роботі діє сила (рис. 3.11). Розкладемо силу на дві складові: поперечну (колову) силу , яку направимо перпендикулярно осі витка і поздовжню (осьову) , яку направимо паралельно осі витка. Із рис. 3.11 видно, що

(3.64)

де – кут нахилу витка пружини.

Сили і будуть відповідно скручувати і згинати виток пружини.

Таким чином, в поперечному перерізі витка пружини з середнім діаметром виникають моменти кручення і згину :

(3.65)

З врахуванням (3.28) рівняння (3.29) приймуть вигляд:

(3.66)

Оскільки в більшості випадків кут , то момент згину значно менший крутного моменту . А тому розрахунки пружини будемо вести тільки на кручення, причому для простоти розрахунків приймаємо, що , тоді приблизно маємо:

(3.67)

Запишемо рівняння міцності із умови кручення круглого витка пружини

(3.68)

де – полярний момент опору перерізу витка діаметром

Вплив кривизни витка на величину напружень враховується коефіцієнтом форми пружини , який залежить від індексу пружини

Схема сил, що діють в пружині стиску

Рис. 3.11

3 врахуванням коефіцієнту форми значення і рівняння (3.32) прийме вид:

(3.69)

Із (3.33) визначимо потрібний діаметр дроту для виготовлення пружини:

(3.70)

Значення заокруглюють до ближчого більшого значення згідно сортаменту на пружинний дріт.

Індекс пружини повинен бути , оскільки при менших значеннях навивання пружини має певні труднощі. В зовнішніх волокнах виникають надриви і тріщини. А тому рекомендується приймати . Такому значенню відповідав значення .

Допустимі напруження кручення для пружинних сталей вибираються згідно таблиць чи графіків і лежать в межах .

Із формули (3.33) знайдемо силу, яку може розвивати пружина:

(3.71)

Жорсткість одного витка пружини

(3.72)

Осьове переміщення торців пружини (осадка пружини ) під дією сили буде:

, або

(3.73)

де – число робочих витків пружини.

Визначимо число робочих витків пружини за відомим переміщенням :

(3.74)

Отримане число витків заокруглюємо до цілого числа.

Довжина пружини у вільному стані визначається

(3.75)

де – число опорних витків, ; – крок робочих витків у вільному стані.

Довжина пружини у повністю стиснутому стані буде:

(3.76)

де – крок робочих витків у стиснутому стані; – мінімальний зазор між робочими витками, приймається в межах .

З врахуванням вищепозначеного, рівняння (3.40) прийме вид:

(3.77)

де – коефіцієнт, який враховує неповне стикання витків.

Довжина розгорнутої пружини (заготовки) може бути визначена за спрощеною формулою:

(3.78)

де – загальне число витків.

Пружини кручення застосовуються для сприймання крутного моменту. Під дією крутного моменту витки піддаються напруженню згину і в незначній мірі крученню, яким будемо нехтувати.