БІЛОРУСЬКИЙ ГОСУДРАСТВЕННИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра інженерної графіки
РЕФЕРАТ
На тему:
"Плоскі пружини, мембрани, сильфони і трубчасті пружини. Амортизатори"
МІНСЬК, 2008
Плоскі пружини
Плоскі прямі пружини застосовують, коли необхідні невеликі зусилля і переміщення, наприклад, у різних контактних пристроях: контактних пружинах реле і перемикачів, що ковзають струмопроводах, натяжних пружинах храпових механізмів (рис. 1).
Перетин таких пружин найчастіше прямокутне. Можливе використання пружин з круглої дроту. Ці пружини зручні, якщо напрямок дії сили не визначена або може змінюватися в процесі роботи механізму. Плоскі консольні пружини виготовляють з пружних стрічок (сталевих, бронзових) у вигляді прямокутних смужок (рис. 1, а), причому їх ширина b набагато більше товщини h.
При конструюванні плоским пружинам завжди можна надати зручної для розміщення в пристрої форму. Великий недолік цих пружин - неможливість отримання при малих деформаціях досить великих зусиль. Для забезпечення значних зусиль при малому прогині (малогабаритні реле, вібростійкі контактні пристрої) застосовують пружини з попереднім натягом (рис. 1, б, в). У вільному стані пружина 1 має вигнуту форму, а після попереднього навантаження нажимной пластиною 2 - пряму. Пружини з попереднім навантаженням сприймають тільки односторонню навантаження.
Якщо попередній прогин пружини обмежений і потрібні великі зусилля (пружні щітки генератора), то одну пластину замінюють пакетом пластин (рис. 1, г) з забезпеченням для них вільного відносного зсуву. Кількість пластин у пакеті пружини визначається розрахунком.
Плоску пряму пружину розраховують на деформацію згину як консольний стрижень, жорстко закріплений одним кінцем і навантажений зосередженої силою F на кінці.
Процес проектування полягає в підборі такого поєднання розмірів ℓ, b і h пружини (див. рис. 1, а), при якому максимальні напруги (у місці закріплення) не перевищують допустимих, а прогин пружини на кінці дорівнює заданому переміщенню. Отримані розміри ширини b і товщини h доводиться коректувати відповідно до сортаментом стрічок з прийнятого пружинного матеріалу. При b / h <3 ... 5 пружини чутливі до поперечних навантажень, так як жорсткість у різних напрямах приблизно однакова. При b / h > 30 ... 50 пружина може отримати помітне закручування і вигин в поперечному напрямку. Не рекомендується приймати ставлення ℓ / b <1 ... 2, при якому відчутний вплив місцевих деформацій у закріпленні і місце прикладання навантаження. Пружна характеристика таких пружин залежить від конструкції і технології виготовлення елементів кріплення. Не рекомендується приймати ℓ / b > 30 ... 50, так як при цьому зростають габарити пружин.
Для прямих плоских пружин найчастіше використовують сталі марок У8А і 60С2А (при дії знакозмінних навантаження).
Біметалічні плоскі пружини
Біметалічні плоскі пружини отримують шляхом зварювання, паяння або спільної прокатки двох пластин з металів з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення. Принцип їх дії заснований на виникненні деформації вигину при нагріванні чи охолодженні. При нагріванні пружина згинається у бік пластини з меншим коефіцієнтом лінійного розширення, а при охолодженні - в протилежну сторону.
Матеріали обох пластин повинні мати якомога більше відрізняються коефіцієнти лінійного розширення, високі пружні властивості, добре зварюватися або споювали, володіти високою пластичністю для прокатки в стрічки товщиною 0,2 ... 2,0 мм. При експлуатації в умовах високої температури матеріали пластин повинні бути і термостійкими. Як матеріал з низьким коефіцієнтом лінійного розширення використовують железонікелевих стали, наприклад, інвар Н36 (36 ... 37% Ni), платинит Н42. З матеріалів з великим коефіцієнтом лінійного розширення використовують нікельмолібденовую і хромонікелевих стали, латунь. Застосовуються біметалічні пружини як чутливі елементи, що реагують на зміну температури в терморегуляторах і в електровимірювальних приладах.
Спіральні пружини
Спіральні пружини представляють собою навиті по спіралі стрічку, яка створює момент, що діє в площині, перпендикулярної осі пружини.
За призначенням їх поділяють на заводні в пружинних двигунах і моментні в коливальних системах.
Заводні пружини (мал. 2) використовують у механізмах відліку часу, самописних приладах. Один кінець пружини закріплений на рухомий осі, а інший - на нерухомому елементі.
Пружинні двигуни зазвичай виконуються з обертовим барабаном. Заводяться вони обертанням заводного валика радіусом r. При закручуванні на вал пружина згинається до зіткнення всіх витків (рис. 2, б), накопичуючи запас потенційної енергії. При розкручуванні рух від барабана повідомляється передавальному механізму. Такі пружини мають ряд переваг: зручно компонуються в пристроях; забезпечують значний робочий хід і досить високий ККД 0,6 ... 0,8; надійні в роботі і витримують великі динамічні перевантаження; матеріал пружини навантажений рівномірно по всій довжині.
При заданих розмірах барабана і поперечного перерізу пружини пружинний двигун має найбільше число оборотів, якщо внутрішній радіус r 1 в спущеному стані (рис. 2, а) дорівнює зовнішньому радіусу r 2 в заведеному стані (див. рис. 2, б). В якості матеріалу використовують стрічки зі сталей У8А, 70С2ХА, бронзи Брофі 6,5-0,15.
Моментні пружини (мал. 3) мають малу жорсткість, служать для створення протидіє моменту рухомої системи, для ліквідації люфтів і мертвого ходу при силовому замиканні ланок, для повернення системи в початковий стан, для підведення струму до рамок струмовимірювальні приладів і створення протидії електромагнітним моментів.
Витки таких пружин повинні розташовуватися строго концентрично щодо осі обертання. До матеріалів моментних пружин крім високих вимог щодо пружним характеристикам пред'являють іноді вимоги по антимагнітних, антикорозійного і електропровідності.
Мембрани, сильфони і трубчасті пружини
Мембраною називають тонку пружну, найчастіше круглу, плоску або гофровану пластину, закріплену по краях. Вона буває металевою або неметалевої (рис. 4).
Мембрани застосовують в якості пружних елементів у муфтах, чутливих елементів систем для вимірювання тиску, в мікрофонах, телефонах, гальмівних пристроях.
Під дією газу, рідини або зосередженої сили (рис. 4, а) мембрана прогинається і в ній виникають деформації вигину і розтягування. Для зменшення розтягуючих напружень мембрани виконують гофрованими. Плоскі мембрани мають велику жорсткість і дуже малий прогин. У гофрованих мембранах концентричні хвилеподібні складки (гофри) можуть бути виконані різного профілю (рис. 4, б, в)-синусоїдального, пилкоподібної, трапецеідального. Ці мембрани відрізняються більшою надійністю і чутливістю, їх конструкція допускає значні деформації. Пружна характеристика гофрованої мембрани може бути лінійною, затухаючої і зростаючої, її отримують шляхом підбору форми, глибини і числа гофр, матеріалу, товщини і діаметра мембрани.
Дві гофровані мембрани, зварені або спаяні з буртику, утворюють мембранну коробку (рис. 4, г), яка дозволяє збільшити чутливість пружного елемента. Мембранні коробки з використання ділять на манометричні, анероїдний і наповнені. Внутрішня порожнина манометричних коробок з'єднана з середовищем, тиск якої (надлишкове або вакуум) необхідно виміряти. У анероїдних коробках з внутрішньої порожнини відкачують повітря до розрідження 0,1 ... 0,2 МПа. Вони вимірюють абсолютний тиск повітря в барометрах і висотомір. У наповненою мембранної коробці внутрішня порожнина заповнена азотом або парами ефіру. Такі коробки застосовують у термометрах і терморегуляторах.
Металеві мембрани виготовляють з нержавіючих сталей, фосфористої і берилієвої бронз, біметалів, неметалеві - з гуми, шкіри, пластмас, прогумованого шовку. Товщина металевих мембран становить 0,06 ... 1,5 мм, а неметалевих - 0,1 ... 3 мм. Неметалічні мембрани менш довговічні, їх властивості сильно залежать від температури і часу експлуатації (старіння властивостей).
Сильфони називаються тонкостінні циліндричні судини, стінки яких мають хвилеподібні складки (гофри) (рис. 5). Вони застосовуються для вимірювання тиску, герметизації рухомих сполук, в якості судин змінної ємності (рис. 5, а), пружних з'єднань трубопроводів (рис. 5, б). Під дією сил F, прикладених до крайніх перетинах внутрішнього або зовнішнього тиску, стінки сильфона деформуються і змінюється його довжина.
Конструкції, основні параметри і розміри сильфонів визначаються ГОСТами. У порівнянні з мембраною сильфони мають великі габарити і складніші у виготовленні. Їх діаметр дорівнює 8 ... 150 мм і товщина стінок-0,1 ... 0,5 мм. Сильфони виготовляються цельнотянутимі або паяними з латуні Л80, берріліевих бронз БрБ2, БрБ2, 5, нержавіючої сталі Х18Н10Т та інших матеріалів.
Трубчасті пружини застосовують для вимірювання надлишкового тиску або вакууму. Манометрична пружина Бурдона представляє собою вигнуту по дузі окружності порожнисту трубку (рис. 6, а) еліптичного або овального перерізу (рис. 6, б).
Вільний кінець 1 трубки запаяний і пов'язаний з передавальним механізмом, а інший кінець 2 з'єднаний з вимірюваним середовищем. Під дією тиску або розрідження трубка змінює свою кривизну, вільний кінець трубки переміщається пропорційно величині тиску.
Рис. 5
До трубчастим пружинам відносять і гвинтові (гелікоїдальний) пружину (рис. 6, в), і пружину спіральної форми (рис. 6, г). Многовітковие трубчасті пружини можуть без передавального механізму відхиляти стрілку на кут більше 360 °.
У порівнянні з одновитковою пружинами вони складніше у виготовленні і мають великі температурні похибки. Виготовляють трубчасті пружини з латуні Л80 або бронзи. Внаслідок складності виготовлення многовітковие трубчасті пружини використовуються рідко.
Амортизатори
При експлуатації і транспортуванні багато механізмів та устаткування відчувають на собі коливання, удари, які можуть призвести до погрішностей переміщень ланок (вібростійкість) або до їх руйнувань (вибропрочность).
Для запобігання механізмів, пристроїв від шкідливого впливу коливань і ударів застосовуються найпростіші гумові упори 1 (рис. 7), які кріплять у вигляді опорних ніжок до корпусів виробів.
Рис. 7
З більш складних і надійних амортизаторів застосовують пружинні (див. рис. 10.1, к) та металлорезіновие. При підборі амортизаторів визначають їх жорсткість k.
Знаючи масу виробу m і частоту вимушених коливань w в виробів, необхідно дотримуватися умова, при якому частота вимушених коливань вироби w в не потрапила б в смугу резонансу, тобто в інтервал (0,7 ... 1,4) w 0, де w 0 = - Власна частота вироби на амортизаторах.
Додатковою умовою є обмеження деформації f амортизатора величиною, передбаченої в описі амортизатора. Осадка (деформація) амортизатора визначається як f = F / k, де F - вага виробу в ньютонах.
ЛІТЕРАТУРА
Красковський Є.Я., Дружинін Ю.А., Філатова Є.М. Розрахунок і конструювання механізмів приладів і обчислювальних систем: Навчальний посібник. М.: - Вищ. шк., 2001. - 480 с.
Сурін В.М. Технічна механіка: Навчальний посібник. - Мн.: БДУІР, 2004. - 292 с.
Ванторін В.Д. Механізми приладових і обчислювальних систем: Навчальний посібник. - М.: Вищ. шк., 1999. - 415 с.