Пружи́на — упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию .

История

Исторически первыми упругими элементами применяемыми человеком считаются различные бытовые пинцеты и прищепки -зажимы, луки и удочки .

Теория

Общий принцип функционирования

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию. Волновые пружины сжатия подобны множеству последовательно/параллельно соединённых рессор, работающих на изгиб.

Пружины и дефиниция силы

В физике не существует консенсусного определения понятия « сила ». Один из методически корректных (в том смысле, что не искажает ситуацию и не создаёт дефиниционного порочного круга ) подходов состоит в том, что дача определения заменяется изложением не опирающегося на какие-либо законы (например, на второй закон Ньютона) способа измерения сил . Если некая оговорённым образом изготовленная пружина при конкретном её растяжении ${\displaystyle \Delta l_{0}}$ объявлена источником единичной силы ${\displaystyle F_{0}}$ , принцип суперпозиции позволит выставлять значения силы ${\displaystyle F_{c}=2F_{0}\cos(\alpha /2)}$ от 0 до ${\displaystyle 2F_{0}}$ при наличии двух «пружин ${\displaystyle F_{0}}$ », размещённых под углом ${\displaystyle \alpha }$ , а любая исследуемая сила может быть измерена уравновешением её подбором ${\displaystyle F_{c}}$ через варьирование ${\displaystyle \alpha }$ (при наличии большего числа пружин доступный диапазон расширяется). Получается, что пружины играют роль инструмента при фундаментальных измерениях силы.

Соотношение деформация—сила

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. То же, как правило, относится и к пружинам:

${\displaystyle F=k\,\Delta l}$ ,

где ${\displaystyle \Delta l}$ — растяжение/сжатие, а ${\displaystyle k}$ — жёсткость. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел ( предел текучести ) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию. Многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Для измерений, описанных в предыдущем подразделе, выполнение или невыполнение закона Гука непринципиально, достаточно лишь свойства упругости , то есть возвращаемости пружины к исходному состоянию после снятия деформирующей нагрузки.

Оценка коэффициента жёсткости

Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости

${\displaystyle k={\frac {G\cdot d_{\mathrm {D} }^{4}}{8\cdot d_{\mathrm {F} }^{3}\cdot n}},}$

где: d _D — диаметр проволоки; d _F — диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); n — число витков; : G — модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа , для меди ~ 45 ГПа ).

Виды пружин

По виду воспринимаемой нагрузки :

• пружины сжатия;
• пружины растяжения;
• пружины кручения;
• пружины изгиба.

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения .

Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины).Они  имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения — могут быть двух видов:

• торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
• витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках , в мышеловках и в канцелярских дыроколах ).

В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

По конструкции :

• витые цилиндрические ( винтовые );
• витые конические ( амортизаторы );
• спиральные (в балансе часов);
• плоские;
• пластинчатые (например, рессоры );
• тарельчатые;
• волновые
• торсионные ;
• телескопические ( секатор );
• мембранные, с нелинейной характеристикой в клавиатурах ;
• конструктивные ( пинцет );
• жидкостные ;
• газовые .

Основные параметры пружин

Для витых цилиндрических и конических:

• количество витков
• шаг витка
• диаметр проволоки
• предельно воспринимаемая нагрузка
• линейная зависимость между деформацией (осадкой) пружины и нагрузкой, приложенной к ней

Для волновых:

• сечение ленты
• число витков
• число волн на виток
• коэффициент жёсткости
• предельная нагрузка

также усталостные характеристики материалов.

Материал и технология изготовления

Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства ( сталь , пластмасса , дерево , фанера , даже картон ).

Материал различных резин имеет упругие свойства не требующие придания ей особой формы и часто применяется в прямом виде, однако из-за менее определённых характеристик в точных машинах используется реже.

Стальные пружины общего назначения изготавливают из высокоуглеродистых сталей,(У9А-У12А, 65, 70), легированных марганцем, кремнием, ванадием (65Г, 60С2А, 65С2ВА). Для пружин, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь (12Х18Н10Т), бериллиевую бронзу (БрБ-2), кремнемарганцевую бронзу (БрКМц3-1), оловянноцинковую бронзу (БрОЦ-4-3), титановые и никелевые сплавы, чугуны.

Небольшие пружины можно навивать из готовой проволоки, в то время как мощные изготавливаются из отожжённой стали и закаляются уже после формовки. После закалки пружины подвергаются среднему отпуску при температурах 450-480 градусов Цельсия. После отпуска пружины охлаждаются на воздухе.

Применение пружин

Пружина — один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

В мягкой мебели и мебельных петлях и лифтах , в кнопках-застёжках , в карабинах , пружинных булавках , пружинных весах , отбойных молотках , в современных рельсовых скреплениях , в сцеплении , в механизмах часов, простых механических автоматах . Гидравлическая аппаратура не мыслима без пружин, упругость необходима для работы кнопок и клавиш управляющих устройств, спусковых механизмов и взрывателей .

В канцелярских товарах

• скрепки и канцелярские прищепки
• авторучки и механические карандаши
• степлеры и дыроколы

В строительстве

• Простейшие доводчики без гасителей для калиток и дверей интенсивного пользования, в холодном климате для тамбуров .
• В возвратных механизмах ручных жалюзи , роликовых ставен и тяжелых секционных ворот .
• В клапанах направления движения в общественных местах.
• В лифтовых буферах.
• В строениях и конструкциях на неустойчивых грунтах, в геологически активных местностях, как гаситель сейсмических волн.

В пресс-формах и штампах

В пресс-формах и штампах применяются пружины сжатия с прямоугольным сечением проволоки, они называются инструментальными пружинами. Благодаря прямоугольному сечению проволоки, пружина имеет более жесткие пружинные свойства при относительно небольших размерах, что очень удобно для размещения их в пресс-формы и штампы.

В огнестрельном оружии

• Боевая пружина, возвратная пружина, пружина магазина
• В симуляции оружия, оружие для страйкбола — пружина обычно используется для выталкивания снаряда в пружинно-поршневых винтовках.

В механизмах постоянной силы

Конструкция механизма или самой пружины обеспечивает постоянное усилие на грузонесущем элементе в определенном диапазоне перемещения.

• Опоры постоянного усилия для трубопроводов
• Роликовые пружины постоянного усилия или момента
• Уплотнения трубопроводной арматуры
• Заданная нагрузка для плавающих подшипников

См. также

Примечания

Литература

• Справочные таблицы по деталям машин. — М. : Машиностроение , 1956.
• Техническая энциклопедия / Л. К. Мартенс. — М. : Советская энциклопедия, 1932. — Т. 18. — С. 424-464. — 898 с.
• Л. Е. Андреева. Упругие элементы приборов / В. И. Феодосьев. — М. : Машиностроение , 1962. — 456 с.

В другом языковом разделе есть более полная статья (фр.) . Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода