Пружина (устройство)

Спиральные или винтовые пружины, рассчитанные на растяжение

Прочная спиральная пружина, предназначенная для сжатия и растяжения.

Английский Longbow - простой , но очень мощная пружина , изготовленная из тиса , размером 2 м (6 футов 6 дюймов) в длину, с 470 Н (105  фунт - сила ) черпать силы

Сила (F) по сравнению с расширением (ями). ^{[ необходима 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.

Устройство для стрельбы военной минной ловушкой из СССР (обычно подключенное к растяжке ) с подпружиненным ударником

Пружина является эластичным объект , который хранит механическую энергию . Пружины обычно изготавливаются из пружинной стали . Есть много весенних дизайнов. В повседневном использовании этот термин часто относится к винтовым пружинам .

Когда обычная пружина без признаков изменчивости жесткости сжимается или растягивается из своего положения покоя, она оказывает противодействующую силу, приблизительно пропорциональную ее изменению длины (это приближение не работает для больших прогибов). Скорости или пружины пружины является изменение в силе оно оказывает, деленное на изменение прогиба пружины. То есть это градиент зависимости силы от кривой прогиба . An внутреннего абонента или компрессии жесткость пружины выражаются в единицах силы , поделенных на расстоянии, например , или Н / м или фунт - сила / дюйм. Торсионная пружинапружина, работающая от скручивания; когда он закручен вокруг своей оси на угол, он создает крутящий момент, пропорциональный углу. Жесткость торсионной пружины выражается в единицах крутящего момента, деленных на угол, например Н · м / рад или фут · фунт-сила / градус. 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) пружин, включенных параллельно, является аддитивной , как и эластичность пружин, включенных последовательно.

Пружины изготавливаются из различных эластичных материалов, чаще всего из пружинной стали. Маленькие пружины могут быть намотаны из предварительно закаленной заготовки, а большие - из отожженной стали и закалены после изготовления. Также используются некоторые цветные металлы , в том числе фосфорная бронза и титан для деталей, требующих коррозионной стойкости, и бериллиевая медь для пружин, пропускающих электрический ток (из-за ее низкого электрического сопротивления).

История [ править ]

Простые пружины без спирали использовались на протяжении всей истории человечества, например, лук (и стрела). В бронзовом веке использовались более сложные пружинные приспособления, о чем свидетельствует распространение пинцета во многих культурах. Ктесибий Александрийский разработал метод изготовления бронзы с пружинными характеристиками, производя сплав бронзы с повышенным содержанием олова, а затем закалывая его молотком после того, как он был отлит.

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

В 1676 году британский физик Роберт Гук постулировал закон Гука , согласно которому сила, оказываемая пружиной, пропорциональна ее протяженности.

Типы [ править ]

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

• Пружина растяжения / растяжения - пружина предназначена для работы с растягивающей нагрузкой, поэтому пружина растягивается при приложении к ней нагрузки.
• Пружина сжатия - предназначена для работы с нагрузкой сжатия, 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, представляет собой крутящий момент или крутящую силу, а конец пружины поворачивается на угол при приложении нагрузки.
• Постоянная подпружиненная нагрузка остается неизменной на протяжении всего цикла отклонения ^[5]
• Переменная пружина - сопротивление катушки нагрузке изменяется во время сжатия ^[6]
• Пружина переменной жесткости - сопротивление катушки нагрузке может динамически изменяться, например, с помощью системы управления, некоторые типы этих пружин также меняют свою длину, что также обеспечивает возможность срабатывания ^[7]

Их также можно классифицировать по форме:

• Плоская пружина - этот тип изготавливается из плоской пружинной стали .
• 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 в себя элементы в дополнение к упругому элементу. Механически обработанные пружины могут изготавливаться в типичных случаях нагружения сжатия / растяжения, кручения и т. Д.
• Змеевидная пружина - зигзаг из толстой проволоки - часто используется в современной обивке / мебели.
• Пружина с подвязками - спиральная стальная пружина, соединенная на каждом конце для создания круглой формы.

Самые распространенные виды пружин:

• Консольная пружина - плоская пружина, закрепленная только на одном конце, как консоль , а свободно висящий конец принимает нагрузку.
• Винтовая пружина или винтовая пружина - пружина (сделанная путем наматывания проволоки на цилиндр) бывает двух типов:
  • Натяжные или пружины растяжения предназначены для удлиняются 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 становятся короче под нагрузкой. Их витки (петли) в ненагруженном состоянии не соприкасаются и не нуждаются в точках крепления.
  • Пружины для полых трубмогут 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 затвердеть 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 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.
• Дуговая пружина - это предварительно изогнутая или дугообразная спиральная пружина сжатия, которая способна передавать крутящий момент вокруг оси.
• Спиральная пружина - спиральная пружина сжатия в форме конуса, так что при сжатии витки не прижимаются друг к другу, что обеспечивает более длительный ход.
• Волосная пружина или уравновешивающая пружина - тонкая спиральная пружина, используемая в часах , гальванометрах и местах, где электричество должно передаваться на частично вращающиеся устройства, такие как рулевые колеса, не мешая вращению.
• Листовая рессора - плоская пружина, используемая в подвесках транспортных средств, электрических переключателях и дугах .
• V- образная пружина - используется в старинных механизмах огнестрельного оружия , таких как колесный замок , кремневый замок и замки с ударным колпачком . Также пружина дверного замка, используемая в старинных механизмах дверной защелки. ^[8]

Другие типы включают:

• Шайба Бельвилля или пружина Бельвилля - пружина в форме диска, обычно используемая для приложения натяжения к болту (а также в механизме инициирования наземных мин, активируемых давлением)
• Пружина постоянной силы - плотно свернутая лента, которая при разматывании оказывает почти постоянное усилие.
• Пневматическая пружина - объем сжатого газа
• Идеальная пружина - 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 - спиральная пружина в форме ленты, используемая в качестве накопителя энергии для часовых механизмов: часов , часов , музыкальных шкатулок , заводных игрушек и фонарей с механическим приводом.
• Пружина негатора - тонкая металлическая полоса слегка вогнутой в поперечном сечении. В свернутом виде он принимает плоское поперечное сечение, но в развернутом виде возвращается к своей прежней кривой, создавая, таким образом, постоянную силу на протяжении всего смещения и устраняя любую тенденцию к повторному наматыванию. Чаще всего применяется убирающаяся стальная ленточная линейка. ^[10]
• Винтовые пружины с прогрессивной скоростью - цилиндрическая пружина с переменной скоростью, обычно достигаемая за счет неравномерного шага, так что при сжатии пружины одна или несколько витков опираются на своего соседа.
• Резиновая лента - пружина растяжения, в которой энергия накапливается за счет растяжения материала.
• Пружинная шайба - используется для приложения постоянного растягивающего усилия вдоль оси застежки .
• Торсионная пружина - любая пружина, предназначенная для скручивания, а не сжатия или растяжения. ^[11] Используется в торсионных системах подвески транспортных средств.
• Весна волны - любой из многихформе волновых пружин, шайб, и расширителях,то числе линейных пружин, все из которыхкак правилосделаны с плоской проволокой или дисками, которые волнистые в соответствии с промышленными условиями,правило, штамповкой, в волнистую регулярную структурурезультате в криволинейных долях. Существуют также волновые пружины из круглой проволоки. Типы включают волнистую шайбу, однооборотную волновую пружину, многооборотную волновую пружину, линейную волновую пружину, расширитель марселя, пружину с переплетенной волной и вложенную волновую пружину.

Физика [ править ]

Закон Гука [ править ]

Пока пружины не растянуты или сжимаются сверх предела 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

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

F - результирующий вектор силы - величина и направление возвращающей силы, оказываемой пружиной.

K представляет собой скорость , пружины или силовая константа пружины, константа , которая зависит от материала и конструкции весной в. Отрицательный знак указывает на то, что сила, оказываемая пружиной, находится в направлении, противоположном ее смещению.

Винтовые пружины и другие обычные пружины обычно подчиняются закону Гука. Есть полезные пружины, которые этого не делают: пружины, основанные на изгибе балки, могут, например, создавать силы, которые нелинейно изменяются с перемещением.

Конические пружины , изготовленные с постоянным шагом (толщиной проволоки), имеют переменную скорость. Однако коническая пружина может иметь постоянную жесткость, создавая 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.

Простое гармоническое движение [ править ]

Поскольку сила равна массе m , умноженной на ускорение a , уравнение силы для пружины, подчиняющейся закону Гука, выглядит так:

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

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

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

Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка для смещения как функции времени. Перестановка:${\ displaystyle x}$

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

решение которого является суммой синуса и косинуса :

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

${\displaystyle A}$и являются произвольными константами, которые можно найти, рассматривая начальное смещение и скорость массы. График этой функции с (нулевое начальное положение с некоторой положительной начальной скоростью) отображается на изображении справа.${\displaystyle B}$${\displaystyle B=0}$

Теория [ править ]

В классической физике , пружину можно рассматривать как устройство , которое хранит потенциальная энергию , в частности , упругая потенциальная энергия , напрягают связи между атомами в качестве упругого материала.

Закон упругости Гука гласит, что растяжение упругого стержня (его длина в растянутом состоянии минус длина в расслабленном состоянии) линейно пропорционально его натяжению - силе, используемой для его растяжения. Точно так же сжатие (отрицательное растяжение) пропорционально сжатию (отрицательное растяжение).

Этот закон на самом деле выполняется только приблизительно и только тогда, когда деформация (растяжение или сжатие) мала по сравнению с общей длиной стержня. При деформациях, превышающих предел упругости , атомные связи разрываются или перестраиваются, и пружина может сломаться, прогнуться 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. Любая гладкая функция одной переменной приближается к квадратичной функции, когда исследуется достаточно близко к ее точке минимума, что можно увидеть, исследуя ряд Тейлора . Следовательно, сила - производная энергии по смещению - аппроксимирует линейную функцию .

Сила полностью сжатой пружины

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

куда

E - модуль Юнга

d - диаметр пружинной проволоки

L - свободная длина пружины

n - количество активных обмоток

${\displaystyle \nu }$- коэффициент Пуассона

D - наружный диаметр пружины

Пружины нулевой длины [ править ]

«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 проволоке происходит скручивание, когда она наматывается во время производства. Это работает, потому что витая пружина «раскручивается» при растяжении.), Поэтому, если она может сжиматься кроме того, точка равновесия пружины, точка, в которой ее возвращающая сила равна нулю, находится 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 длинным периодом колебаний . Долгопериодические маятники позволяют сейсмометрам определять самые медленные волны землетрясений. ЛаКоста подвеска с нулевой длиной пружинами также используются в гравиметрах , потому что он очень чувствителен к изменениям гравитации. Пружины для закрывания дверей часто имеют примерно нулевую длину, поэтому они оказывают усилие, даже когда дверь почти закрыта, поэтому они могут удерживать ее в закрытом состоянии.

Использует [ редактировать ]

См. Также [ править ]

• Амортизатор

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• 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. 

• Надзиратель, Тим. (2021 год). «Банди 2 - альт-саксофон». Этот саксофон известен самой сильной из существующих игольчатых пружин.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Spring (устройство) .

• Паредес, Мануэль (2013). «Как сконструировать пружины» . insa de toulouse . Проверено 13 ноября 2013 года .
• Райт, Дуглас. «Знакомство с источниками» . Примечания по проектированию и анализу элементов машин . Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Западной Австралии . Проверено 3 февраля 2008 года .
• Зильберштейн, Дэйв (2002). «Как сделать пружины» . Базиллион. Архивировано из оригинального 18 -го сентября 2013 года . Проверено 3 февраля 2008 года .
• Пружины с динамически изменяемой жесткостью (патент)
• Smart Springs и их комбинации (патент)