Пружина (устройство) - Spring (device)

Спиральный или же катушка пружины, рассчитанные на растяжение

Прочная спиральная пружина, предназначенная для сжатия и растяжения

В Английский длинный лук - простая, но очень мощная пружина из тис длиной 2 м (6 футов 6 дюймов) с усилием 470 Н (105фунт-сила ) сила притяжения

Сила (F) по сравнению с расширением (ями).^{[нужна цитата ]} Характеристики пружины: (1) прогрессивная, (2) линейная, (3) дегрессивная, (4) почти постоянная, (5) прогрессивная с коленом

Механически обработанная пружина объединяет несколько элементов в один кусок прутка.

Военный мина-ловушка стреляющее устройство из СССР (обычно подключается к растяжка ) показывая подпружиненный ударник

А весна является эластичный объект, который хранит механическая энергия. Пружины обычно изготавливаются из стальная пружина. Есть много весенних дизайнов. В повседневном использовании этот термин часто относится к винтовые пружины.

Когда обычная пружина, не имеющая характеристик изменчивости жесткости, сжимается или растягивается из положения покоя, она оказывает противоположное воздействие. сила примерно пропорционально его изменению длины (это приближение не работает для больших прогибов). В ставка или же жесткость пружины пружины - это изменение прилагаемой силы, деленное на изменение отклонение весны. То есть это градиент силы по сравнению с отклонением изгиб. An расширение или же сжатие жесткость пружины выражается в единицах силы, деленных на расстояние, например, Н / м или фунт-сила / дюйм. А торсионная пружина пружина, работающая от скручивания; когда он закручен вокруг своей оси на угол, он производит крутящий момент пропорционально углу. Скорость торсионной пружины выражается в единицах крутящего момента, разделенных на угол, например: Н · м /рад или же фут · фунт-сила /степень. Обратной силой жесткости пружины является податливость, то есть: если жесткость пружины составляет 10 Н / мм, она имеет податливость 0,1 мм / Н. Жесткость (или скорость) параллельных пружин равна добавка, как и соответствие пружин в серии.

Пружины изготавливаются из различных эластичных материалов, чаще всего из пружинной стали. Маленькие пружины можно намотать из предварительно закаленной заготовки, а большие - из отожженный стали и закалены после изготовления. Немного Цветные металлы также используются, включая фосфорная бронза и титан для деталей, требующих коррозионной стойкости и бериллиевая медь для пружин, проводящих электрический ток (из-за низкого электрического сопротивления).

История

Простые пружины без спирали использовались на протяжении всей истории человечества, например в поклон (и стрелка). В бронзовом веке использовались более сложные пружинные устройства, о чем свидетельствует распространение пинцет во многих культурах. Ктесибий Александрийский разработал метод изготовления бронза с пружинными характеристиками за счет производства сплава бронзы с повышенным содержанием олова и последующего упрочнения его молотком после литья.

Спиральные пружины появились в начале 15 века,^[1] в дверных замках.^[2] Первые часы с пружинным питанием появились в этом веке.^[2][3][4] и превратились в первые большие часы к 16 веку.

В 1676 г. британский физик Роберт Гук постулированный Закон Гука, в котором говорится, что сила, оказываемая пружиной, пропорциональна ее растяжению.

Типы

Спиральная пружина кручения, или пружина, в будильник.

А спиральная пружина. При сжатии катушки скользят друг по другу, обеспечивая больший ход.

Вертикальные спиральные пружины Стюарт танк

Пружины растяжения в реверберационном устройстве гнутой линии.

Торсион закручивается под нагрузкой

Листовая рессора на грузовике

Пружины можно классифицировать в зависимости от того, как к ним приложена сила нагрузки:

• Пружина растяжения / растяжения - пружина рассчитана на работу с напряжение нагрузка, поэтому пружина растягивается при приложении к ней нагрузки.
• Пружина сжатия - предназначен для работы с сжимающей нагрузкой, поэтому пружина становится короче по мере приложения к ней нагрузки.
• Торсионная пружина - в отличие от вышеуказанных типов, в которых нагрузка представляет собой осевую силу, нагрузка, прикладываемая к торсионной пружине, является крутящий момент или скручивающее усилие, и конец пружины поворачивается на угол при приложении нагрузки.
• Постоянная весна - поддерживаемая нагрузка остается неизменной на протяжении всего цикла прогиба^[5]
• Переменная пружина - сопротивление катушки нагрузке меняется при сжатии^[6]
• Пружина переменной жесткости - сопротивление катушки нагрузке может динамически изменяться, например, системой управления, некоторые типы этих пружин также изменяют свою длину, что также обеспечивает возможность срабатывания ^[7]

Их также можно классифицировать по форме:

• Плоская пружина - этот вид выполнен из плоского стальная пружина.
• Механически обработанная пружина - этот тип пружины изготавливается путем обработки прутковой заготовки на токарном станке и / или фрезеровании, а не на намотке. Поскольку она механически обработана, пружина может включать элементы в дополнение к упругому элементу. Механически обработанные пружины могут изготавливаться в типичных случаях нагружения сжатия / растяжения, кручения и т. Д.
• Змеиный источник - зигзаг из толстой проволоки - часто используется в современной обивке / мебели.
• Подвязка пружина - Витая стальная пружина, соединенная на каждом конце для создания круглой формы.

Самые распространенные виды пружин:

• Консольная пружина - пружина, закрепленная только на одном конце.
• Винтовая пружина или же спиральный весна - пружина (изготовленная путем наматывания проволоки на цилиндр) бывает двух типов:
  • Напряжение или же пружины растяжения предназначены для увеличения длины под нагрузкой. Их витки (петли) обычно соприкасаются в ненагруженном состоянии, и на каждом конце у них есть крючок, проушина или другие средства крепления.
  • Пружины сжатия при загрузке становятся короче. Их витки (петли) в ненагруженном состоянии не соприкасаются и не нуждаются в точках крепления.
  • Пружины для полых труб могут быть как пружины растяжения, так и пружины сжатия. Полая трубка заполнена маслом и средствами изменения гидростатического давления внутри трубки, такими как мембрана или миниатюрный поршень и т. Д., Чтобы упрочнить или ослабить пружину, так же, как это происходит с давлением воды внутри садового шланга. В качестве альтернативы поперечное сечение НКТ выбирается такой формы, что оно меняет свою площадь, когда НКТ подвергается крутильной деформации - изменение площади поперечного сечения приводит к изменению внутреннего объема НКТ и потока масла в / из пружины, что может управляться клапаном, тем самым контролируя жесткость. Существует множество других конструкций пружин из полых труб, которые могут изменять жесткость с любой желаемой частотой, изменять жесткость на несколько единиц или перемещаться как линейный привод в дополнение к своим свойствам пружины.
• Спиральная пружина - спиральная пружина сжатия в виде конус так что при сжатии катушки не прижимаются друг к другу, что обеспечивает более длительный ход.
• Hairspring или же пружина баланса - тонкая спиральная пружина, используемая в часы, гальванометры, и места, где электричество должно подводиться к частично вращающимся устройствам, таким как рули не мешая вращению.
• Листовая рессора - плоская пружина, используемая в автомобиле подвески, электрические переключатели, и Луки.
• V-образная пружина - использовались в античности огнестрельное оружие такие механизмы, как колесный замок, кремневый замок и капсюль замки. Также пружина дверного замка, используемая в старинных механизмах дверной защелки.^[8]

Другие типы включают:

• Шайба Бельвиль или же Бельвильская весна - тарельчатая пружина, обычно используемая для натяжения болта (а также в механизме инициирования срабатывания под давлением наземные мины )
• Пружина постоянной силы - плотно свернутая лента, прикладывающая почти постоянное усилие при раскручивании
• Газовый грифон - объем сжатого газа
• Идеальная весна - условная пружина, используемая в физике - она ​​не имеет потерь веса, массы или демпфирования. Сила, прилагаемая пружиной, пропорциональна расстоянию, на которое пружина растягивается или сжимается из своего расслабленного положения.^[9]
• Боевая пружина - пружина в форме спиральной ленты, используемая как накопитель энергии часовой механизм механизмы: часы, часы, музыкальные шкатулки, заводиться игрушки, и фонарики с механическим приводом
• Пружина отрицателя - тонкая металлическая полоса слегка вогнутой в поперечном сечении. При свертывании он принимает плоское поперечное сечение, но в развернутом состоянии возвращается к своей прежней кривой, создавая постоянную силу на протяжении всего смещения и отрицание любая тенденция к перемотке. Чаще всего применяется убирающаяся стальная ленточная линейка.^[10]
• Винтовые пружины прогрессивного действия - Винтовая пружина с переменной скоростью, обычно достигается за счет неравномерного подача так что при сжатии пружины одна или несколько витков упираются в своего соседа.
• Резинка - пружина растяжения, в которой энергия накапливается за счет растяжения материала.
• Весна Шайба - используется для приложения постоянной растягивающей силы вдоль оси застежка.
• Торсионная пружина - любая пружина, предназначенная для скручивания, а не для сжатия или растяжения.^[11] Используется в торсион системы подвески автомобилей.
• Волновая весна - любая из множества волнообразных пружин, шайб и расширителей, включая линейные пружины, - все из которых обычно изготавливаются из плоской проволоки или дисков, которые марсель в соответствии с промышленными терминами, обычно путем штамповки, в волнистый регулярный узор, приводящий к криволинейным выступам. Существуют также волновые пружины из круглой проволоки. Типы включают волновую шайбу, однооборотную волновую пружину, многооборотную волновую пружину, линейную волновую пружину, расширитель марселя, пружину с переплетенной волной и вложенную волновую пружину.

Физика

Закон Гука

Пока они не растянуты и не сжаты за пределы их предел упругости, большинство пружин подчиняются закону Гука, который гласит, что сила, с которой пружина отталкивает, линейно пропорциональна расстоянию от ее равновесной длины:

${ Displaystyle F = -kx, }$

куда

Икс - вектор смещения - расстояние и направление, в котором пружина деформируется относительно ее равновесной длины.

F - результирующий вектор силы - величина и направление возвращающей силы пружины.

k это ставка, жесткость пружины или же силовая постоянная пружины - константа, которая зависит от материала и конструкции пружины. Отрицательный знак указывает на то, что сила, которую оказывает пружина, находится в направлении, противоположном ее смещению.

Винтовые пружины и другие обычные пружины обычно подчиняются закону Гука. Есть полезные пружины, которых нет: пружины, основанные на изгибе балки, могут, например, создавать силы, которые варьируются нелинейно со смещением.

Если сделано с постоянным шагом (толщиной проволоки), конические пружины имеют переменную ставку. Однако можно сделать коническую пружину постоянной жесткостью, создав пружину с переменным шагом. Больший шаг витков большего диаметра и меньший шаг витков меньшего диаметра заставляет пружину сжиматься или растягиваться с одинаковой скоростью при деформации.

Простые гармонические колебания

Поскольку сила равна массе, м, раз ускорение, а, уравнение силы для пружины, подчиняющейся закону Гука, выглядит так:

${ Displaystyle F = ma quad Rightarrow quad -kx = ma. ,}$

Смещение, Икс, как функция времени. Время, которое проходит между пиками, называется период.

Масса пружины мала по сравнению с массой прикрепленной массы и не учитывается. Поскольку ускорение - это просто второе производная x по времени,

${ displaystyle -kx = m { frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}}. ,}$

Это линейный дифференциальное уравнение для перемещения ${ displaystyle x}$ как функция времени. Перестановка:

${ displaystyle { frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}} + { frac {k} {m}} x = 0, ,}$

решение которого является суммой синус и косинус:

${ displaystyle x (t) = A sin left (t { sqrt { frac {k} {m}}} right) + B cos left (t { sqrt { frac {k} { m}}} right). ,}$

${ displaystyle A}$ и ${ displaystyle B}$ - произвольные константы, которые можно найти, рассматривая начальное смещение и скорость массы. График этой функции с ${ displaystyle B = 0}$ (нулевая начальная позиция с некоторой положительной начальной скоростью) отображается на изображении справа.

Теория

В классическая физика, пружину можно рассматривать как устройство, которое хранит потенциальная энергия, конкретно упругая потенциальная энергия, натягивая связи между атомы из эластичный материал.

Закон Гука эластичность утверждает, что удлинение упругого стержня (его длина в растянутом состоянии минус длина в расслабленном состоянии) линейно пропорционально его длине. напряжение, то сила раньше растягивал его. Точно так же сжатие (отрицательное растяжение) пропорционально сжатие (отрицательное напряжение).

Этот закон на самом деле выполняется только приблизительно и только тогда, когда деформация (растяжение или сжатие) мала по сравнению с общей длиной стержня. Для деформаций за пределами предел упругости атомные связи разрываются или перестраиваются, а пружина может сломаться, согнуться или навсегда деформироваться. Многие материалы не имеют четко определенного предела упругости, и закон Гука не может быть осмысленно применен к этим материалам. Более того, для сверхупругих материалов линейная зависимость между силой и смещением подходит только в области низких деформаций.

Закон Гука является математическим следствием того факта, что потенциальная энергия стержня минимальна, когда он имеет расслабленную длину. Любой гладкая функция одной переменной приближается к квадратичная функция при осмотре достаточно близко к точке минимума, что можно увидеть при осмотре Серия Тейлор. Следовательно, сила, которая является производной энергии по смещению, приближается к линейная функция.

Сила полностью сжатой пружины

${ Displaystyle F_ {max} = { frac {Ed ^ {4} (L-nd)} {16 (1+ nu) (D-d) ^ {3} n}} }$

куда

E - Модуль для младших

d - диаметр пружинной проволоки

L - свободная длина пружины

n - количество активных обмоток

${ displaystyle nu}$ – коэффициент Пуассона

D - наружный диаметр пружины

Пружины нулевой длины

Упрощенная подвеска LaCoste с использованием пружины нулевой длины

Длина пружины L против силы F график обычных (+), нулевой (0) и отрицательной (-) пружины с одинаковой минимальной длиной L₀ и пружинная постоянная

«Пружина нулевой длины» - это термин для специально разработанной цилиндрической пружины, которая оказывала бы нулевое усилие, если бы она имела нулевую длину; если бы не было ограничений из-за конечного диаметра проволоки такой винтовой пружины, она имела бы нулевую длину в нерастянутом состоянии. То есть на линейном графике силы пружины в зависимости от ее длины линия проходит через начало координат. Очевидно, что винтовая пружина не может сжаться до нулевой длины, потому что в какой-то момент витки касаются друг друга, и пружина больше не может сокращаться.

Пружины нулевой длины изготавливаются путем изготовления винтовой пружины со встроенным натяжением (в проволоку изгибается, когда она наматывается во время изготовления. Это работает, потому что витая пружина "раскручивается" при растяжении). мог При дальнейшем сжатии точка равновесия пружины, точка, в которой ее восстанавливающая сила равна нулю, происходит на нулевой длине. На практике пружины нулевой длины изготавливаются путем объединения пружины «отрицательной длины», сделанной с еще большим натяжением, чтобы ее точка равновесия находилась на «отрицательной» длине, с куском неэластичного материала надлежащей длины, чтобы точка нулевой силы будет иметь нулевую длину.

Пружина нулевой длины может быть прикреплена к грузу на шарнирной стреле таким образом, что сила, действующая на груз, почти точно уравновешивается вертикальной составляющей силы пружины, независимо от положения стрелы. Это создает горизонтальный «маятник» с очень длинными колебаниями. период. Долгопериодические маятники позволяют сейсмометры чтобы почувствовать самые медленные волны от землетрясений. В LaCoste подвеска с пружинами нулевой длины применяется также в гравиметры потому что он очень чувствителен к изменениям силы тяжести. Пружины для закрывания дверей часто делают примерно нулевой длины, поэтому они оказывают усилие, даже когда дверь почти закрыта, поэтому они могут удерживать ее в закрытом состоянии.

Использует

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Склейтер, Нил. (2011). «Пружинно-винтовые устройства и механизмы». Справочник по механизмам и механическим устройствам. 5-е изд. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 279–299. ISBN  9780071704427. Чертежи и конструкции различных пружинных и винтовых механизмов.
• Пармли, Роберт. (2000). «Раздел 16: Пружины». Иллюстрированный справочник механических компонентов. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN  0070486174 Чертежи, конструкции и обсуждение различных пружин и пружинных механизмов.

внешняя ссылка

• Паредес, Мануэль (2013). «Как спроектировать пружины». insa de toulouse. Получено 13 ноября 2013.
• Райт, Дуглас. "Введение в источники". Примечания по проектированию и анализу элементов машин. Кафедра машиностроения и материаловедения, Университет Западной Австралии. Получено 3 февраля 2008.
• Зильберштейн, Дэйв (2002). «Как сделать пружины». Базиллион. Архивировано из оригинал 18 сентября 2013 г.. Получено 3 февраля 2008.
• Пружины с динамически изменяемой жесткостью (патент)
• Smart Springs и их комбинации (патент)