Пружины

Пружины употребляются для довольно разнообразных целей; наиболее обычным является употребление пружин  в следующих   случаях:

1) Для смягчения толчков и ударов, вызываемых суммарным действием, так называемых мгновенных сил. Таковы — резиновые шины, вагонные и экипажные рессоры и т. п. В комфортабельных пассажирских вагонах   употребляются тройные рессоры: продольные рессоры, поперечные рессоры и спиральные пружины, дающие в результате весьма плавный ход.

2) Для произведения, в противоположность предыдущему, ударного действия путем освобождения, за короткий промежуток времени, значительного запаса энергии, предварительно накопленного в пружине. Действуя в течение короткого времени, пружина развивает очень большую силу, дает «удар». Примеры имеем в рессорном молоте, в курках огнестрельного оружия и пр. Сюда же относится тетива лука и веревочная перекрученная пружина древней баллисты для метания камней.

3) Для возвращения частей, двигаемых какой-нибудь силой в известную сторону, в их первоначальное положение в тех случаях, когда сама  сила не может вернуть часть в первоначальное положение (сила не меняет направления). Таковы: пружины в барабанчике индикатора паровой машины, пружины в клапанном распределении паровой машины или газомотора, пружины в центробежных регуляторах и т. п.

4) Для того, чтобы иметь возможность с значительной точностью урегулировать силу, которую мы желаем развить по известному направлению. Так, например, подкладывают пружины под гайки болтов для того, чтобы затянуть гайку болта с назначенной заранее силой, которую в этом случае очень легко урегулировать.

5) Для поддержания продолжительного движения, т. е. в качестве движущей силы: такова пружина в часах (ходовая и бойная), пружины в заводных игрушках и разных приборах.

6) Для измерения сил в различных измерительных приборах (барометры, манометры, динамометры, индикаторы паровых машин и пр.). Измерение становится здесь возможным и простым в силу того свойства обычных видов пружин, что деформация их пропорциональна силе, и по величине первой, легко измеряемой, можно судить и о последней.

Всем этим, а также и другим целям пружина может удовлетворять благодаря тому своему свойству, что она обладает сравнительно весьма большой деформацией, или изменением своей формы при действии на нее силы. Это свойство и принимается обыкновенно за определение пружины. Если же бы мы вместо пружины употребили в качестве упругого тела обыкновенный растягиваемый металлический стержень, то его удлинение было бы так мало (десятые или сотые доли миллиметра), что устройство дальнейшего механизма, в котором это перемещение утилизировалось бы, явилось бы совершенно невозможным и потребовало бы необычайной точности и сложности устройства. Для смягчения же ударов такая малая деформация была бы совершенно непригодной.

Большой деформацией пружина может обладать или только в силу одних физических свойств своего материала (таковыми являются, например, резина и гуттаперча) или же в силу того, что ей придана особая форма, обусловливающая такую большую деформацию, именно: один, по крайней мере, размер пружин сделан во много раз менее остальных (обыкновенная плоская рессора), а иногда два размера малы по сравнению с третьим (спиральная пружина). Наиболее часто в практике встречаются пружины из закаленной стали или (маленькие) из простой железной или латунной проволоки. Резиновые и деревянные пружины встречаются реже. Иногда при выборе материала пружины играет роль, при данных ее упругих потребных свойствах, и ее вес, который желательно иметь наименьшим. В  этом смысле наиболее легкими являются пружины из закаленной стали, а самыми громоздкими — деревянные.

Металлические пружины по характеру своего сопротивления разделяются на два главных класса: 1) пружины, работающие на изгиб, и 2) пружины, работающие на кручение.

Для материала стальных пружин в Америке в последнее время приняты такие нормы. Употребляется углеродистая сталь. Для пружины с диаметром проволоки более 25 мм употребляется сталь с содержанием углерода  от 0,7% до 0,9%; при диаметре от 25 до 18 мм — сталь с 0,9 до 1,1% углерода; при диаметре от 18 до 12 мм — сталь с 1,1 до 1,2% углерода (и даже до 1,3%) и при диаметре проволоки менее 12 мм - сталь с содержанием углерода до 1,45%.

Расчет  пружин. Назовем через: Р — допустимую нагрузку на пружину, f — пружинение или деформацию в месте приложения силы Р, l — длину пружины (для спиральной пружины понимается длина ее в выпрямленном состоянии, т. е. полная длина той проволоки или полосы, на которой завита пружина).

Тогда имеем следующие формулы:

I. Пружины, работающие на изгиб.

А. Прямые пружины.

В. Спиральные пружины.

Во всех приведенных формулах Е означает коэффициент или модуль упругости первого рода, а В -  допускаемое напряжение материала пружины на изгиб.

II. Пружины, работающие на кручение.

А. Прямые пружины.

В. Спиральные пружины.

Во всех приведенных формулах G означает коэффициент или модуль упругости второго рода, а Т – допускаемое напряжение материала пружины на кручение.

Допускаемое напряжение на изгиб В для пружины из незакаленной стали берется равным от 20 до 30 кг на кв. мм; из закаленной стали – от 40 до 45, а для рессор железнодорожных вагонов доходит до 60 кг на кв. мм и даже еще выше. Величины допускаемого напряжения на кручение Т берутся по обыкновению на 20% ниже (Мор рекомендует брать их на 50% ниже) допускаемых величин для В. Коэффициент упругости Е для мягкой стали можно принимать равным 20 000, а для закаленной – 25 000 кг на кв. мм. Величина G равна, как известно, от 0,38 до 0,4 Е.

А. Сидоров.