Плоские пружины
Плоские прямые пружины применяют, когда необходимы небольшие усилия и перемещения, например, в различных контактных устройствах: контактных пружинах реле и переключателей, скользящих токопроводах, натяжных пружинах храповых механизмов (рис. 1).

Сечение таких пружин чаще всего прямоугольное. Возможно использование пружин из круглой проволоки. Эти пружины удобны, если направление действия силы не определено или может изменяться в процессе работы механизма. Плоские консольные пружины изготавливают из упругих лент (стальных, бронзовых) в виде прямоугольных полосок (рис. 1, а), причем их ширина b намного больше толщины h.

При конструировании плоским пружинам всегда можно придать удобную для размещения в устройстве форму. Большой недостаток этих пружин - невозможность получения при малых деформациях достаточно больших усилий. Для обеспечения значительных усилий при малом прогибе (малогабаритные реле, виброустойчивые контактные устройства) применяют пружины с предварительным натяжением (рис. 1, б, в). В свободном состоянии пружина 1 имеет изогнутую форму, а после предварительного нагружения нажимной пластиной 2 - прямую. Пружины с предварительным нагружением воспринимают только одностороннюю нагрузку.

Если предварительный прогиб пружины ограничен и требуются большие усилия (пружинящие щетки генератора), то одну пластину заменяют пакетом пластин (рис. 1, г) с обеспечением для них свободного относительного сдвига. Количество пластин в пакете пружины определяется расчетом.

Плоскую прямую пружину рассчитывают на деформацию изгиба как консольный стержень, жестко закрепленный одним концом и нагруженный сосредоточенной силой F на конце.

Процесс проектирования заключается в подборе такого сочетания размеров ?, b и h пружины (см. рис. 1, а), при котором максимальные напряжения (в месте закрепления) не превышают допускаемых, а прогиб пружины на конце равен заданному перемещению. Полученные размеры ширины b и толщины h приходится корректировать в соответствии с сортаментом лент из принятого пружинного материала. При b / h < 3 … 5 пружины чувствительны к поперечным нагрузкам, так как жесткость в различных направлениях примерно одинакова. При b / h > 30 … 50 пружина может получить заметное закручивание и изгиб в поперечном направлении. Не рекомендуется принимать отношение ? / b < 1 … 2, при котором ощутимо влияние местных деформаций в закреплении и месте приложения нагрузки. Упругая характеристика таких пружин зависит от конструкции и технологии изготовления элементов крепления. Не рекомендуется принимать ? / b > 30 … 50, так как при этом возрастают габариты пружин.

Для прямых плоских пружин чаще всего используют стали марок У8А и 60С2А (при действии знакопеременной нагрузки).

Биметаллические плоские пружины

Биметаллические плоские пружины получают путем сварки, пайки или совместной прокатки двух пластин из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Принцип их действия основан на возникновении деформации изгиба при нагреве или охлаждении. При нагреве пружина изгибается в сторону пластины с меньшим коэффициентом линейного расширения, а при охлаждении - в противоположную сторону.

Материалы обеих пластин должны иметь как можно больше отличающиеся коэффициенты линейного расширения, высокие упругие свойства, хорошо свариваться или спаиваться, обладать высокой пластичностью для прокатки в ленты толщиной 0,2 … 2,0 мм. При эксплуатации в условиях высокой температуры материалы пластин должны быть и термостойкими. В качестве материала с низким коэффициентом линейного расширения используют железоникелевые стали, например, инвар Н36 (36 … 37% Ni), платинит Н42. Из материалов с большим коэффициентом линейного расширения используют никельмолибденовую и хромоникелевую стали, латунь. Применяются биметаллические пружины как чувствительные элементы, реагирующие на изменение температуры в терморегуляторах и в электроизмерительных приборах.

Спиральные пружины

Спиральные пружины представляют собой навитую по спирали ленту, которая создает момент, действующий в плоскости, перпендикулярной оси пружины.

По назначению их разделяют на заводные в пружинных двигателях и моментные в колебательных системах.

Заводные пружины (рис. 2) используют в механизмах отсчета времени, самопишущих приборах. Один конец пружины закреплен на подвижной оси, а другой - на неподвижном элементе.

Пружинные двигатели обычно выполняются с вращающимся барабаном. Заводятся они вращением заводного валика радиусом r. При закручивании на вал пружина изгибается до соприкосновения всех витков (рис. 2, б), накапливая запас потенциальной энергии. При раскручивании движение от барабана сообщается передаточному механизму. Такие пружины обладают рядом преимуществ: удобно компонуются в устройствах; обеспечивают значительный рабочий ход и достаточно высокий КПД 0,6…0,8; надежны в работе и выдерживают большие динамические перегрузки; материал пружины нагружен равномерно по всей длине.

При заданных размерах барабана и поперечного сечения пружины пружинный двигатель имеет наибольшее число оборотов, если внутренний радиус r1 в спущенном состоянии (рис. 2, а) равен наружному радиусу r2 в заведенном состоянии (см. рис. 2, б). В качестве материала используют ленты из сталей У8А, 70С2ХА, бронзы БрОФ 6,5-0,15.

Моментные пружины (рис. 3) имеют малую жесткость, служат для создания противодействующего момента подвижной системы, для ликвидации люфтов и мертвого хода при силовом замыкании звеньев, для возвращения системы в исходное положение, для подвода тока к рамкам токоизмерительных приборов и создания противодействия электромагнитным моментам.

Витки таких пружин должны располагаться строго концентрично относительно оси вращения. К материалам моментных пружин помимо высоких требований по упругим характеристикам предъявляют иногда требования по антимагнитности, антикоррозионности и электропроводности.

Мембраны, сильфоны и трубчатые пружины

Мембраной называют тонкую упругую, чаще всего круглую, плоскую или гофрированную пластину, закрепленную по краям. Она бывает металлической или неметаллической (рис. 4).

Мембраны применяют в качестве упругих элементов в муфтах, чувствительных элементов систем для измерения давления, в микрофонах, телефонах, тормозных устройствах.

Под действием газа, жидкости или сосредоточенной силы (рис. 4, а) мембрана прогибается и в ней возникают деформации изгиба и растяжения. Для уменьшения растягивающих напряжений мембраны выполняют гофрированными. Плоские мембраны имеют большую жесткость и очень малый прогиб. В гофрированных мембранах концентричные волнообразные складки (гофры) могут быть выполнены различного профиля (рис. 4, б, в)-синусоидального, пилообразного, трапецеидального. Эти мембраны отличаются большей надежностью и чувствительностью, их конструкция допускает значительные деформации. Упругая характеристика гофрированной мембраны может быть линейной, затухающей и возрастающей, ее получают путем подбора формы, глубины и числа гофр, материала, толщины и диаметра мембраны.

Две гофрированные мембраны, сваренные или спаянные по буртику, образуют мембранную коробку (рис. 4, г), которая позволяет увеличить чувствительность упругого элемента. Мембранные коробки по использованию делят на манометрические, анероидные и наполненные. Внутренняя полость манометрических коробок соединена со средой, давление которой (избыточное или вакуум) необходимо измерить. В анероидных коробках из внутренней полости откачивают воздух до разрежения 0,1…0,2 МПа. Они измеряют абсолютное давление воздуха в барометрах и высотомерах. В наполненной мембранной коробке внутренняя полость заполнена азотом или парами эфира. Такие коробки применяют в термометрах и терморегуляторах.

Металлические мембраны изготавливают из нержавеющих сталей, фосфористой и бериллиевой бронз, биметаллов, неметаллические - из резины, кожи, пластмасс, прорезиненного шелка. Толщина металлических мембран составляет 0,06 … 1,5 мм, а неметаллических - 0,1 … 3 мм. Неметаллические мембраны менее долговечны, их свойства сильно зависят от температуры и времени эксплуатации (старение свойств).

Сильфонами называются тонкостенные цилиндрические сосуды, стенки которых имеют волнообразные складки (гофры) (рис. 5). Они применяются для измерения давления, герметизации подвижных соединений, в качестве сосудов переменной емкости (рис. 5, а), упругих соединений трубопроводов (рис. 5, б). Под действием сил F, приложенных к крайним сечениям внутреннего или внешнего давления, стенки сильфона деформируются и изменяется его длина.

Конструкции, основные параметры и размеры сильфонов определяются ГОСТами. По сравнению с мембраной сильфоны имеют большие габариты и более сложны в изготовлении. Их диаметр равен 8 … 150 мм и толщина стенок- 0,1 … 0,5 мм. Сильфоны изготавливаются цельнотянутыми или паяными из латуни Л80, беррилиевых бронз БрБ2, БрБ2,5, нержавеющей стали Х18Н10Т и других материалов.

Трубчатые пружины применяют для измерения избыточного давления или вакуума. Манометрическая пружина Бурдона представляет собой изогнутую по дуге окружности полую трубку (рис. 6,а) эллиптического или овального сечения (рис. 6, б).

Свободный конец 1 трубки запаян и связан с передаточным механизмом, а другой конец 2 соединен с измеряемой средой. Под действием давления или разрежения трубка меняет свою кривизну, свободный конец трубки перемещается пропорционально величине давления.

Рис. 5

К трубчатым пружинам относят и винтовую (геликоидальную) пружину (рис. 6, в), и пружину спиральной формы (рис. 6, г). Многовитковые трубчатые пружины могут без передаточного механизма отклонять стрелку на угол более 360.

По сравнению с одновитковыми пружинами они сложнее в изготовлении и имеют большие температурные погрешности. Изготавливают трубчатые пружины из латуни Л80 или бронзы. Вследствие сложности изготовления многовитковые трубчатые пружины используются редко.

Амортизаторы

При эксплуатации и транспортировании многие механизмы и устройства испытывают на себе колебания, удары, которые могут привести к погрешностям перемещений звеньев (виброустойчивость) или к их разрушениям (вибропрочность).

Для предохранения механизмов, устройств от вредного воздействия колебаний и ударов применяются простейшие резиновые упоры 1 (рис. 7), которые крепят в виде опорных ножек к корпусам изделий.

Рис. 7

Из более сложных и надежных амортизаторов применяют пружинные (см. рис. 10.1, к) и металлорезиновые. При подборе амортизаторов определяют их жесткость k.

Зная массу изделия m и частоту вынужденных колебаний в изделий, необходимо соблюдать условие, при котором частота вынужденных колебаний изделия в не попала бы в полосу резонанса, т.е. в интервал (0,7 … 1,4) 0, где 0 = - собственная частота изделия на амортизаторах.

Дополнительным условием является ограничение деформации f амортизатора величиной, предусмотренной в описании амортизатора. Осадка (деформация) амортизатора определяется как f = F / k, где F - вес изделия в ньютонах.

ЛИТЕРАТУРА

Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: - Высш. шк., 2001. - 480 с.

Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. - Мн.: БГУИР, 2004. - 292 с.

Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. - М.: Высш. шк., 1999. - 415 с.