Детали машин и основы конструирования - часть 23

 

93

Чаще всего упругие элементы легко обнаружить  при осмотре машины, 

как,  например,  резиновые  покрышки  колёс,  пружины  и  рессоры,  мягкие 
кресла водителей и машинистов. 

Иногда  упругий  элемент  скрыт  под  видом  другой  детали,  например, 

тонкого торсионного вала, шпильки с длинной тонкой шейкой, тонкостенно-
го стержня, прокладки,  оболочки и т.п. Однако и здесь опытный конструктор 
сможет распознать и применять  такой "замаскированный" упругий элемент 
именно по сравнительно малой жёсткости.  

На железной дороге из-за тяжести транспорта деформации деталей пу-

ти достаточно велики. Здесь упругими элементами, наряду с рессорами под-
вижного состава,  фактически  становятся  рельсы,  шпалы  (особенно  деревян-
ные, а не бетонные) и грунт  путевой насыпи.  

Упругие элементы находят широчайшее применение: 

Î

 

для  амортизации  (снижение  ускорений  и  сил  инерции  при  ударах  и 
вибрации за счёт значительно большего времени деформации упругого 
элемента по сравнению с жёсткими деталями); 

Î

 

для  создания  постоянных  сил  (например,  упругие  и  разрезные  шайбы  
под гайкой создают постоянную  силу трения в витках резьбы, что пре-
пятствует самоотвинчиванию); 

Î

 

для силового замыкания механизмов (чтобы исключить нежелательные 
зазоры); 

Î

 

для аккумуляции (накопления) механической энергии (часовые пружи-
ны,  пружина  оружейного  бойка,  дуга  лука,  резина  рогатки,  согнутая 
вблизи студенческого лба линейка и т.д.); 

Î

 

для измерения сил (пружинные весы основаны на связи веса и дефор-
мации измерительной пружины по закону Гука). 

Обычно  упругие  элементы  выполняются  в  виде  пружин  различных 

конструкций. 

 
Основное распространение в машинах имеют упругие пружины сжатия 

и растяжения. В этих пружинах витки подвержены кручению.  Цилиндриче-
ская  форма пружин   удобна для размещения их в машинах.  

 

 

94

 
Основной характеристикой пружины, как и всякого упругого элемента, 

является жёсткость или обратная ей податливость. Жёсткость K определяется 
зависимостью упругой силы F от деформации x. Если эту зависимость мож-
но считать линейной, как в законе Гука, то жёсткость  находят делением си-
лы на деформацию                  K = F / x. 

Если  зависимость  нелинейна,  как  это  и  бывает    в  реальных  конструк-

циях, жёсткость находят, как производную от силы по деформации  K=∂F/∂x. 

Очевидно, что здесь нужно знать вид функции  F=f(x). 
Для больших нагрузок при необходимости рассеяния энергии вибрации 

и ударов применяют пакеты упругих элементов (пружин).  

Идея состоит в том, что при деформации составных или слоистых пру-

жин  (рессор) энергия рассеивается за счёт взаимного трения элементов. 

 Пластинчатые  пакетные  рессоры  успешно  применялись  с  первых  ша-

гов транспортного машиностроения – ещё в подвеске карет, применялись они 
и на электровозах, и электропоездах первых выпусков, где были из-за неста-
бильности сил трения позже заменены витыми пружинами с параллельными 
демпферами, их можно встретить в некоторых моделях автомобилей и строи-
тельно-дорожных машин. 

ПРУЖИНЫ, РАБОТАЮЩИЕ  ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЯХ 

СЖАТИЕ-РАСТЯЖЕНИЕ (а,б,в,г) 

    ИЗГИБ

 

КРУЧЕНИЕ (ж,з) 

    ПЛАСТИНЧАТЫЕ РЕССОРЫ   

 

95

Пластинчатые  рессоры    обладают  большим  демпфированием  (способ-

ностью рассеивать вибрацию). 

Пакет  тарельчатых  пружин  используется  для  амортизации  ударов  и 

вибрации в межтележечной упругой муфте электровозов ЧС4 и ЧС4

Т

. 

 

В развитие этой идеи по инициативе  сотрудников  нашей академии на 

Куйбышевской Дороге применяются тарельчатые пружины (шайбы) в болто-
вых соединениях накладок рельсовых стыков. Пружины подкладываются под 
гайки перед затяжкой и обеспечивают высокие постоянные силы трения в со-
единении, к тому же разгружая болты. 

Материалы  для  упругих  элементов  должны  иметь  высокие  упругие 

свойства, а главное, не терять их со временем.  

Основные  материалы  для  пружин – высокоуглеродистые  стали 65,70, 

марганцовистые стали 65Г, кремнистые стали 60С2А, хромованадиевая сталь 
50ХФА и т.п. Все эти материалы имеют более высокие механические свойст-
ва по сравнению с обычными конструкционными сталями. 

В 1967 году в Самарском Аэрокосмическом университете был изобре-

тён  и  запатентован  материал,  названный  металлорезиной  "МР".  Материал 
изготавливается  из  скомканной,  спутанной  металлической  проволоки,  кото-
рая затем прессуется в необходимые формы.  

Колоссальное достоинство металлорезины в том, что она великолепно 

сочетает прочность  металла  с упругостью резины и, кроме того, за счёт зна-
чительного  межпроволочного  трения  рассеивает  (демпфирует)  энергию  ко-
лебаний, являясь высокоэффективным средством виброзащиты. 

Густоту    спутанной  проволоки  и  силу  прессования  можно  регулиро-

вать, получая заданные значения жёсткости и демпфирования металлорезины 
в очень широком диапазоне. 

Металлорезина, несомненно, имеет перспективное будущее в качестве 

материала для изготовления упругих элементов. 

      

ТАРЕЛЬЧАТАЯ ПРУЖИНА (ШАЙБА) И ПАКЕТЫ ПРУЖИН 

 

96

Упругие  элементы  требуют  весьма  точных  расчётов.  В  частности,  их 

обязательно  рассчитывают  на  жёсткость,  поскольку  это  главная  характери-
стика.  

Однако конструкции упругих элементов столь разнообразны, а расчёт-

ные  методики  столь  сложны,  что  привести  их  в  какой-либо  обобщённой 
формуле невозможно. Тем более в рамках нашего курса, который на этом за-
кончен. 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ     

V

 По  какому  признаку  в  конструкции  машины  можно  найти  упругие  эле-

менты ? 

V

 Для каких задач  применяются упругие элементы ? 

V

 Какая характеристика упругого элемента считается главной ? 

V

 Из каких материалов следует изготавливать упругие элементы ? 

V

 Каким образом на Куйбышевской дороге применяются тарельчатые шай-

бы-пружины ?