Лабораторное оборудование




Испытание пружины на сжатие

Цель работы – определение напряжений и осадки винтовой цилиндрической пружины, модуля сдвига материала.

Общие сведения

Винтовая пружина – это стержень чаще всего круглого поперечного сечения, навитый по винтовой линии на поверхность цилиндра или конуса (цилиндрические или конические пружины).

Материалом пружины могут служить различные стали, свойства которых регламентированы стандартами.

Материалы для пружины должны иметь высокие и стабильные во времени упругие свойства. Сталь, применяемая для пружин и рессор, должна обладать высоким пределом упругости (текучести) и пределом выносливости.

Основными материалами для пружин являются высокоуглеродистые стали 65, 70, 75, марганцовистые стали 65Г и 55ГС, кремнистые стали 50С2, 55С2, 60С2, 70С3, хромомарганцевая сталь 50ХГА, хромованадиевая сталь 50ХФА и др.

Кремнистые стали имеют высокий предел текучести, что обеспечивает хорошие упругие свойства, но склонны к обезуглероживанию, образованию поверхностных дефектов при горячей обработке и графитообразованию, что снижает предел выносливости.

Хромованадиевая сталь 50ХФА характеризуется высокими механическими свойствами, особенно высоким пределом выносливости, теплостойкостью, хорошими технологическими свойствами. Пружины из этой стали удовлетворительно работают при температуре до 400 °С. Эту сталь применяют для наиболее ответственных пружин (например, для клапанных пружин двигателей).

Для работы в химически активной среде применяют пружины из цветных сплавов: кремнемарганцовистых бронз , оловяно-цинковых бронз ОЦ4-3, бериллиевых бронз Б-2, Б-2,8.

Углеродистые стали дешевы, отличаются стабильностью свойств, но имеют пониженные прочностные характеристики и прокаливаемость.

В данной работе испытывается на сжатие силой пружина с круглым поперечным сечением витков (рисунок 1).

Основные параметры пружины:

средний диаметр пружины , мм;

диаметр проволоки , мм;

рабочее число витков пружины ;

шаг витков пружины , мм;

высота пружины , мм;

индекс пружины (индекс).

 

Рисунок 1 – Параметры пружины

 

Индексом С пружины называют отношение среднего диаметра пружины к диаметру проволоки: . Обычно принимают значение индекса . При малых значениях индекса () велика неоднородность напряженного состояния витков, появляется опасность потери устойчивости пружины сжатия. Кроме того, навивка пружины с малыми индексами затруднительна.

Пружины с большим значением индекса также имеют недостатки: увеличенные габариты по диаметру, пониженную жесткость витков на сдвиг и затруднения в навивке.

Назначение пружины. Пружины, благодаря их упругим свойствам, широко применяются в различных машинах и приборах.

Они предназначаются:

для создания заданных постоянных сил (начального сжатия или натяжения в передачах трения, тормозах, предохранительных устройствах);

амортизации ударов (буферные пружины в подвижном железнодорожном составе, в артиллерийских орудиях и т.п.);

аккумулирования энергии с последующим использованием пружины как двигателя (часовые пружины);

измерения сил в измерительных приборах (динамометры);

силового замыкания механизмов (кулачковых, зубчатых, храповых и т.д.) с целью исключения вредного влияния зазоров на их точность и работоспособность;

преобразования различных физических величин (сил, давления, температур и др.) в механическое перемещение указателя прибора.

В машиностроении применяют пружины различных типов. В общем машиностроении наиболее распространены винтовые цилиндрические пружины. Цилиндрическая форма пружины удобна для ее размещения в машинах (такие пружины относительно просты и дешевы в изготовлении, компактны). В зависимости от вида воспринимаемых рабочих нагрузок винтовые пружины подразделяются на пружины растяжения, сжатия и кручения.

Пружины сжатия навивают с просветом, достаточным для обеспечения рабочей осадки пружины. Для создания надежной опоры концевые витки навиваются плотно, без зазора, и шлифуются по плоскости, перпендикулярной оси пружины.

Пружины растяжения обычно навивают без просветов между витками и часто с начальным межвитковым давлением, достигающим 25-35 % от общей нагрузки. Пружины растяжения обычно воспринимают внешние усилия с помощью специальных прицепов, которые могут быть образованы отогнутыми крайними витками в виде полуколец, колец или специальных петлевых прицепов.

Пружины кручения могут быть с межвитковыми зазорами и без зазоров.

Различают винтовые пружины с малым и большим шагом.

В данной работе рассматривается пружина с малым шагом, т.е. угол наклона витка к горизонтальной линии меньше 20°, в этом случае можно считать, что каждый отдельный виток лежит в плоскости, перпендикулярной оси пружины.

Рассмотрим пружину, нагруженную по концам сжимающими силами , действующими вдоль оси пружины (рисунок 2).

Чтобы найти напряжения, возникающие в пружине, мысленно рассечем ее на две части плоскостью , перпендикулярной к оси витка. Отбросим нижнюю часть и рассмотрим равновесие верхней части.

 

Рисунок 2 – Пружина

 

Чтобы равновесие не нарушилось, необходимо в рассматриваемом сечении приложить силы взаимодействия нижней части на верхнюю, равнодействующая этих сил направлена вверх и равна (рисунок 3,а).

В поперечном сечении витка действуют силовые факторы: крутящий момент (где – радиус витка) и перерезывающая сила (рисунки 3,б, в), которые вызывают касательные напряжения , связанные с крутящим моментом , и касательные напряжения , вызванные перерезывающей силой .

Касательные напряжения ( – расстояние от центра тяжести сечения до точки, где определяются напряжения). Наибольшие касательные напряжения имеют место при . Эпюра касательных напряжений , связанных с крутящим моментом , изображена на рисунке 3,г.

 

Рисунок 3 – Пружина с внутренними силовыми факторами в сечениях витка: а) равнодействующая сил взаимодействия нижней части на верхнюю – сила ; б), в) силовые факторы (крутящий момент и перерезывающая сила); г) эпюра касательных напряжений

 

Касательные напряжения приближенно будем считать распределенными равномерно по всему сечению прутка:

.

Эпюра касательных напряжений изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Эпюра касательных напряжений

 

Суммарное касательное напряжение (рисунок 5) от поперечной силы и крутящего момента в каждой точке сечения прутка может быть определено путем геометрического сложения напряжений и .

Наибольшие напряжения будут в точке сечения прутка, наиболее близко расположенной к оси пружины, где напряжения и совпадают по направлению и где значение максимально:

или .

Обычно отношение значительно меньше единицы, поэтому им можно пренебречь, это равносильно пренебрежению напряжениями от поперечной силы по сравнению с напряжениями от кручения, и тогда можно принять, что

.

Примечание: приведенный расчет относится к пружинам с малым углом подъема витков, т.е. с большим индексом .

 

Рисунок 5 – Поперечное сечение витка пружины с эпюрами

касательных напряжений

Лабораторное оборудование

Для испытания пружины на сжатие применяются специальные испытательные машины (например, установка УМ-5).



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-29 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: