Стальные витые упругие элементы (пружины).

В подвеске трамвая применяются цилиндрические винтовые пружины, представляющие собой упругую деталь изготовленную навивкой в горячем состоянии из пружинной стали круглого сечения.

Применяются однорядные и двухрядные цилиндрические пружины.

Последние представляют собой комбинированный упругий элемент из двух вставленных одна в одну пружин, работающих под нагрузкой, как параллельно включенные упругие звенья. Наружная и внутренняя пружины двухрядной пружины навиваются в разные стороны, чтобы при сжатии витки внутренней пружины не зажимались витками наружной пружины. Пружины изготавливаются из стали 55С2 или 60С2 круглого сечения. Геометрическими характеристиками цилиндрических витых пружин являются:

– диаметр прутка d;

– диаметр навивки (средний диаметр витка) D;

– полные и рабочие числа витков;

– высота в свободном (ненагруженном) состоянии ;

– высота при сжатии до соприкосновения витков .

Рисунок 10. Схемы пружинных элементов

Крайние витки пружины имеют плоские опорные поверхности перпендикулярные ее оси. Длина оттянутого конца пружины длины средней окружности витка пружины. Оттянутые концы пружины не участвуют в аботе. Поэтому число рабочих витков пружины меньше ее полного числа на витка.

Диаметр прутка пружины, применяемых в подрессоривании трамваев принимается от 16 до 40 мм., диаметр навивки при отношении . Число витков от 4 до 10. Высота от 140 до 360 мм. При отношении . Отношение и называется индексом пружины. Оно определяет использование материала пружин, причем при прочих равных условиях напряжение в пружине тем больше, чем меньше индекс. Отношение характеризует устойчивость пружины при внецентренном сжатии. При появляется опасность одностороннего выпучивания пружины под нагрузкой. Зависимость между прогибом и нагрузкой (характеристика) пружины и ее гибкостью определяются формулами.

; ; ,

где - модуль сдвига 80000…85000 МН/м.

Для повышения прочности и долговечности пружин выполняют:

1) устраняют или максимально сокращают источники концентрации напряжения (закаты, раковины, трещины и т д).

2) Избегают обезуглероживания поверхностного слоя пружин при изготовлении и термообработке, которые снижают предел выносливости на 20…40%.

3) Повышает предел выносливости наклепом поверхности дробью.

4) Заменяют пружины с большим диаметром прутка, комбинированными двух или многорядными пружинами с более тонкими прутками, имеющими такую же величину общей жесткости, учитывая влияние масштабного фактора на предел выносливости.

5) Применяют заневоленные пружины.

Материал витой пружины под действием силовой нагрузки работает на скручивание и срез. Зависимость от осевой нагрузки однородной пружины из прутка круглого сечения может быть выражено следующей формулой:

или ,

где .

Коэффициент Чернышева, учитывающий добавочное напряжение в пружине под действием перерезывающей силы. Структура коэффициента Чернышева показывает влияние перерезывающей силы на прочность пружины и тем меньше, чем больше индекс пружины. Из этих соображений рекомендуется принимать . Свободная высота пружины определяется по следующей формуле:

,

где - высота пружины при сжатии.

- прогиб пружины под максимальной нагрузкой.

При определении свободной высоты пружины необходимо учитывать:

1) воизбежания выпучивания пружины рекомендуется ;

2) угол навивки пружины не должен превышать 10° .

Расчет пружины ведется в следующем порядке:

1) подсчитываются величины и ;

2) задаются индексом пружины и вычисляют соответствующий коэффициент Чернышева;

3) принимают и ;

4) определяют число рабочих витков пружины;

5) при принятых и ;

6) определяют диаметр прутка ;

7) подсчитывают напряжения в пружине и прогибы ее под характерными нагрузками кузова;

8) проверяют установку пружины по габаритным ограничениям.

Если по расчетам однорядная пружина получила слишком большой или диаметр витка , их заменяют двухрядными пружинами. Размеры двухрядных пружин устанавливают на основе уравнений эквивалентных обоих пружин, то есть равенство их прогибов и напряжений по заданной нагрузке . Из равенстве прогибов однорядной и двухрядной пружин получим:

, где индексы 1 и 2 относятся к наружной и внутренней пружинам комбинированной пружины, а без индексов относятся к однородной пружине. Из условия равенства добавочных напряжений от перерезывающих сил .

При равенстве нагрузок и напряжений на кручение можно определить силу F:

,

Откуда .

В этих формулах - нагрузки однорядной и двухрядной пружин. Требования обеспечения радиального зазора между внутренней и наружной пружинами определяется:

.