Spreżyny i termobimetale Michał Chróściński kl I cog (2004/2005)

Czym są spreżyny ? Sprężyna ,to łącznik sprężysty o kształcie zapewniającym znaczne odkształcenie pod działaniem stosunkowo nieznacznych obciążeń; rozróżnia się sprężyny płaskie i przestrzenne; ze względu na obciążenia działające na sprężyny rozróżnia się sprężyny poddawane obciążeniom rozciągającym, ściskającym, zginającym i skręcającym; sprężyny wykonuje się z materiałów o dużych modułach sprężystości, np. stali, brązu, a ostatnio również z tworzyw sztucznych; stosuje się do wyrównywania rozkładu obciążeń na poszczególne części maszyny, do lepszego dociśnięcia tych części

Historia spręzyny i zasady spreżystośći Zasadę sprężystości wykorzystywano już kilkanaście tysięcy lat temu w łuku, w którym występuje nagłe wyładowanie się nagromadzonej energii mechanicznej, a także w niektórych pułapkach na zwierzęta (w postaci silnie napiętych prętów drewnianych).  W okresie rzymskim do miotania pocisków podczas walk na morzu wykorzystywano sprężystość odgiętych desek (przykład sprężyny płaskiej).  Ciekawy był projekt Leonarda da Vinci z około 1485 roku, aby kuszę - gigant, używaną dawniej do walk oblężniczych, zaopatrzyć w łuk z płaskowników metalowych (rodzaj resoru piórowego). Wspomnijmy o miniaturowej kuszy ze stali, wynalazku hiszpańskich Maurów z XV wieku. Kuszę taką łatwo było ukryć nawet w rękawie.

 Około 1500 roku sprężyna występuje w nowej, ważnej postaci - sprężyny spiralnej, która zaczęła odgrywać rolę źródła energii w  zegarach.  W 1616 roku F. Veranzio, autor książki o maszynach, podaje rysunek powozu na resorach. Po 50 latach resory ze stali na pewno już były używane.  Sprężyna śrubowa rozwinęła się prawdopodobnie ze spiralnej. Istniała już pod koniec XVIII wieku. Około 1800 roku  J. Barmah zbudował maszynę do nawijania tego rodzaju sprężyn.  Odnotujmy jeszcze wynalezienie sprężyn tapicerskich w 1826 roku w Anglii. 

Zadania sprężyn - dociskają części maszyn w czasie ich pracy - zapewniają zmianę położenia różnych elementów w określonych granicach - łagodzą uderzenia i wstrząsy - tłumią drgania - sprężyny służą do regulacji i pomiarów sił , kasowania luzów , kumulowania energii napędów , drobnych mechanizmów itp.

Materiały stosowane na wytwarzania spreżyn Są to materiały o dużej wytrzymałości zmęczeniowej , oraz wysokich granicach sprężystości i plastyczności . Na sprężyny stalowe stosuje się najczęściej stale wysokowęglowe i stopowe . Sprężyny wykonuje się z drutów , rzadziej z prętów i blach . Sprężyny pracujące w środowisku korodującym oraz sprężyny stykowe są wykonywane z odpowiednich stopów metali nieżelaznych . Niektóre rodzaje sprężyn wykonuje się z drewna prasowanego , a ostatnio również z tworzyw sztucznych .

Rodzaje i podział spreżyn Podział sprężyn dokonuje się w zależności od liczby elementów współpracujących , ich kształtu , rodzaju obciążenia Rodzaje sprężyn : - Stożkowe - Płaskie Ściskane Rozciągane Skrętne Spiralne Talerzowe - Pierścieniowe Śrubowe - Walcowe

Spreżyny ściskane

PARAMETRY

Parametry sprężyn ściskanych d (średnica drutu): Parametr określa grubość drutu z którego została wyprodukowana sprężyna. S (trzpień): Wielkość ta określa maksymalną średnicę trzpienia sprężynowego przy zastosowaniach przemysłowych. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Di (średnica wewnętrzna): Średnica wewnętrzna sprężyny może zostać obliczona przez odjęcie dwóch średnic drutu od średnicy zewnętrznej sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). De (średnica zewnętrzna): Średnica zewnętrzna sprężyny może zostać obliczona przez dodanie dwóch średnic drutu do średnicy wewnętrznej sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). H (otwór): Jest to minimalna średnica otworu w którym ma pracować sprężyna. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie).

P (skok): Średnia odległość między kolejnymi aktywnymi zwojami sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ln (Zblokowanie): Maksymalna długość sprężyny po całkowitym zblokowaniu. Zblokowanie przedstawione jest na rysunku po prawej. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). L0 (Długość swobodna): Długość swobodna sprężyny jest mierzona w stanie swobodnym po wcześniejszym jednokrotnym blokowaniu. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ilość zwojów: Jest to całkowita liczba zwojów w sprężynie - dla powyższego rysunku wynosi ona sześć. Aby otrzymać liczbę zwojów aktywnych sprężyny należy odjąć dwa zwoje tworzące końcówki.

Umocowanie: Określa czy końcówki danej sprężyny zostały oszlifowane. R (Sztywność): Parametr określa opór jaki stawia sprężyna w momencie ściskania. Jednostką sztywności jest 1 DaN/mm = 10 N/mm. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). L1 & F1 (długość przy sile F): Siła F1 przy zadanej długości L1 może zostać obliczona na podstawie formuły: F1 = (L0-L1) * R. Analogicznie długość sprężyny L1 przy sile F1 określa wzór: L1 = L0 - F1/R. Umocowanie: Określa czy końcówki danej sprężyny zostały oszlifowane. Nr Referencyjny: Wszystkie sprężyny są identyfikowane przez unikalną referencję: typ . (De * 10) . (d * 100) . (L0 * 10) . materiał ; dla sprężyn ściskanych oznaczenie typu to litera "C" ; oznaczenia materiałów to "A" , "I", "N" , oraz "S". Przykład: C.063.090.0100.A to sprężyna o średnicy zewnętrznej 6.3 mm, wykonana z drutu stalowego o średnicy 0.9 mm oraz długości swobodnej 10mm.

Materiały na spreżyny ściskane A (Drut Stalowy): Stal według normy DIN 172233 klasa C1 I (Stal Nierdzewna): Nierdzewna 18/8 oznaczenie Z10 CN 18.09. N (Drut Ocynkowany): Drut stalowy sprężynowy ocynkowany S (Stal Cr-Si): Stal Chromowo-Krzemowa. Sprężyny z niej wykonane posiadają większą wytrzymałość i sztywność. WSTECZ

Spreżyny rozciągane Niemieckie Haki (posiadają lepsza wytrzymałość, ale oczka nie są zamknięte) Angielskie Haki (posiadają gorszą wytrzymałość, używane, kiedy zastosowanie wymaga zamkniętych oczek) WSTECZ

Niemieckie haki

Parametry spreżyn z niemieckimi hakami d (średnica drutu): Parametr określa grubość drutu z którego została wyprodukowana sprężyna. De (średnica zewnętrzna): Średnica zewnętrzna sprężyny dotyczy zarówno oczek jak i korpusu. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). H (Otwór): Jest to minimalna średnica otworu, w którym ma pracować sprężyna. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ln (Długość maksymalna): Maksymalna dopuszczalna długość, na jaką można rozciągnąć sprężynę. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). Fn (Siła maksymalna): Maksymalna dopuszczalna siła, jaka może działać na sprężynę. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie).

L0 (Długość swobodna): Długość sprężyny w stanie spoczynku L0 (Długość swobodna): Długość sprężyny w stanie spoczynku. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ilość zwojów: Jest to całkowita liczba zwojów sprężyny - dla powyższego rysunku wynosi ona sześć. R (Sztywność): Parametr określa opór, jaki stawia sprężyna w momencie rozciągania. Jednostką sztywności jest 1 DaN/mm = 10 N/mm. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). L1 & F1 (długość przy sile F): Siła F1 powodująca wydłużenie sprężyny do długości L1 może zostać obliczona na podstawie formuły: F1 = Fn - R(Ln-L1) oraz natomiast długość L1 = Ln - (Fn-F1)/R. Przykładowe obliczenia: Sprężyna, o długości maksymalnej 40mm przy sile 20 DaN, ma sztywność 1 DaN/mm. Czyli dla siły 19 DaN sprężyna będzie miała długość 39 mm, dla siły 18 DaN - 38 mm itd.

Haki: Sprężyny rozciągane z niemieckimi oczkami są produkowane w dwóch wariantach: pozycja haka 0 stopni lub 90 stopni tak jak na rysunkach powyżej. Nr Referencyjny: Wszystkie sprężyny są identyfikowane przez unikalną referencję: typ . (De * 10) . (d * 100) . (L0 * 10) . materiał . [X - jeśli haki są prostopadłe] ; dla sprężyn rozciąganych z niemieckimi oczkami oznaczenie typu to litera "U" ; oznaczenia materiałów to "A" , "I", "N" , oraz "S". Przykład: U.063.090.0100.AX to sprężyna o średnicy zewnętrznej 6.3 mm, wykonana z drutu stalowego o średnicy 0.9 mm oraz długości swobodnej 20 mm z prostopadłą pozycją haków.

Materiały na spreżyny z niemieckimi hakami A (Drut Stalowy): Stal według normy DIN 172233 klasa C1 I (Stal Nierdzewna): Nierdzewna 18/8 oznaczenie Z10 CN 18.09. WSTECZ

Spreżyny z angielskimi hakami

Parametry sprężyn z angielskimi hakami d (średnica drutu): Parametr określa grubość drutu z którego została wyprodukowana sprężyna. De (średnica zewnętrzna): Średnica zewnętrzna sprężyny dotyczy zarówno oczek jak i korpusu. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). H (Otwór): Jest to minimalna średnica otworu, w którym ma pracować sprężyna. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ln (Długość maksymalna): Maksymalna dopuszczalna długość, na jaką można rozciągnąć sprężynę. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). Fn (Siła maksymalna): Maksymalna dopuszczalna siła, jaka może działać na sprężynę. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie).

Parametry sprężyn z angielskimi hakami L0 (Długość swobodna): Długość sprężyny w stanie spoczynku. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ilość zwojów: Jest to całkowita liczba zwojów sprężyny - dla powyższego rysunku wynosi ona sześć. R (Sztywność): Parametr określa opór, jaki stawia sprężyna w momencie rozciągania. Jednostką sztywności jest 1 DaN/mm = 10 N/mm. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). L1 & F1 (długość przy sile F): Siła F1 powodująca wydłużenie sprężyny do długości L1 może zostać obliczona na podstawie formuły: F1 = Fn - R(Ln-L1) oraz natomiast długość L1 = Ln - (Fn-F1)/R. Przykładowe obliczenia: Sprężyna, o długości maksymalnej 40mm przy sile 20 DaN, ma sztywność 1 DaN/mm. Czyli dla siły 19 DaN sprężyna będzie miała długość 39 mm, dla siły 18 DaN - 38 mm itd.

Haki: Sprężyny rozciągane tego typu posiadają oba oczka zamknięte (patrz rysunek) równolegle między sobą. Nr Referencyjny: Wszystkie sprężyny są identyfikowane przez unikalną referencję: typ . (De * 10) . (d * 100) . (L0 * 10) . materiał ; dla sprężyn rozciąganych oznaczenie typu to litera "T" ; oznaczenia materiałów to "A" , "I", "N" , oraz "S". Przykład: T.063.090.0100.A to sprężyna o średnicy zewnętrznej 6.3 mm, wykonana z drutu stalowego o średnicy 0.9 mm oraz długości swobodnej 20 mm.

Materiały na spreżyny z angielskimi hakami A (Drut Stalowy): Stal według normy DIN 172233 klasa C1 I (Stal Nierdzewna): Nierdzewna 18/8 oznaczenie Z10 CN 18.09. WSTECZ

Sprężyny skrętne

Parametry spreżyn skrętnych d (średnica drutu): Parametr określa grubość drutu z którego została wyprodukowana sprężyna. Dd (Trzpień): Wielkość ta określa maksymalną średnicę trzpienia sprężynowego przy zastosowaniach przemysłowych. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Di (średnica wewnętrzna): Średnica wewnętrzna sprężyny może zostać obliczona przez odjęcie dwóch średnic drutu od średnicy zewnętrznej sprężyny. Średnica wewnętrzna zmniejsza się podczas pracy sprężyny aż do rozmiaru trzpienia. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). De (średnica zewnętrzna): Średnica zewnętrzna sprężyny może zostać obliczona przez dodanie dwóch średnic drutu do średnicy wewnętrznej sprężyny. Średnica zewnętrzna zmniejsza się podczas pracy sprężyny. Tolerancja dla tego parameteru to (+-)2% z tolerancją 0.1 mm.

L0 (Długość korpusu): UWAGA: Długość korpusu zwiększa się podczas pracy sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ls (długość ramion): Długość ta mierzona jest od środka zwojów do końca ramienia sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). An (Kąt maksymalny): Maksymalny dopuszczalny obrót dla danej sprężyny w stopniach. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15 stopni(orientacyjnie). Fn (maksymalna siła): Maksymalna dopuszczalna siła, jaka może działać na końcu ramienia sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). Mn (Maksymalny moment obrotowy): Maksymalny dopuszczalny moment obrotowy (Newton * mm). Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie).

R (Sztywność kątowa ): Parametr określa opór, jaki stawia sprężyna w momencie pracy sprężyny. Jednostką sztywności kątowej jest Newton * mm / stopień. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). A1 & F1 & M1: (kąt a moment obrotowy i siła) Następujący wzór przedstawia obliczanie kąta przy zadanym momencie obrotowym.: A1 = M1/R. W celu obliczenia momentu obrotowego przy zadanej sile należy skorzystać z następującego równania: M = F*Ls Pozycja swobodna ramion: Ramiona sprężyny w pozycji swobodnej mogą tworzyć względem siebie następujące kąty swobodne: 0, 90 ,180 lub 270 stopni. (patrz rysunek powyżej) Skok: Wszystkie sprężyny dostępne są o skoku w prawo jak również o skoku w lewo

Nr Referencyjny: Wszystkie sprężyny są identyfikowane przez unikalną referencję: typ . (De * 10) . (d * 100) . (N * 100) ; dla sprężyn skrętnych mamy dwa oznaczenia typu: litera "D" (skok w prawo) lub "G" (skok w lewo), natomiast "N" to liczba zwojów sprężyny. Przykład: D.028.020.0350 to sprężyna o skoku w prawo, średnicy zewnętrznej 2.8 mm, wykonana z drutu nierdzewnego o średnicy 0.2 mm składająca się z 3.5 zwojów.

Materiały na sprężyny skrętne I (Stal Nierdzewna): Nierdzewna 18/8 oznaczenie Z10 CN 18.09 WSTECZ

Sprężyny stożkowe

Sprężyny stożkowe

Parametry sprężyn stożkowych d (średnica drutu): Parametr określa grubość drutu z którego została wyprodukowana sprężyna. S (trzpień): Wielkość ta określa maksymalną średnicę trzpienia sprężynowego przy zastosowaniach przemysłowych. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). De (Większa średnica zewnętrzna): Średnica zewnętrzna większego końca sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ds (Mniejsza średnica wewnętrzna): Średnica wewnętrzna mniejszego końca sprężyny. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). F1/R.

H (otwór): Jest to minimalna średnica otworu w którym ma pracować sprężyna. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). Ln (Zblokowanie): Maksymalna długość sprężyny po całkowity zblokowaniu. Wartość ta dla większości sprężyn stożkowych jest równa dwukrotnej średnicy drutu. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). L0 (Długość swobodna): Długość swobodna sprężyny jest mierzona w stanie swobodnym po wcześniejszym jednokrotnym blokowaniu. Tolerancja dla tego parametru to (+-)2%(orientacyjnie). R (Sztywność): Parametr określa opór jaki stawia sprężyna w momencie ściskania. Jednostką sztywności jest 1 DaN/mm = 10 N/mm. Tolerancja dla tego parametru to (+-)15%(orientacyjnie). L1 & F1 (długość przy sile F): Siła F1 przy zadanej długości L1 może zostać obliczona na podstawie formuły: F1 = (L0-L1) * R. Analogicznie długość sprężyny L1 przy sile F1 określa wzór: L1 = L0 -

Materiały na sprężyny stożkowe I (Stal Nierdzewna): Nierdzewna 18/8 oznaczenie Z10 CN 18.09. WSTECZ

Inne rodzaje spreżyn Sprężyny kształtowe

Nietypowe sprężyny ściskane

Inne rodzaje spreżyn Sprężyny płaskie WSTECZ

Specjalne sprężyny skrętne Inne rodzaje spreżyn Specjalne sprężyny skrętne

Nietypowe rozciągane ze specjalnymi oczkami Inne rodzaje spreżyn Nietypowe rozciągane ze specjalnymi oczkami

Termobimetale Termobimetale (bimetale termometryczne ) , to metale których metale składowe znacznie różnią się wartościami współczynników rozszerzalności cieplnej; warstwa czynna termobimetalu to metal o większej wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej (np. stop żelaza z niklem z dodatkiem molibdenu, manganu lub chromu), warstwa bierna — metal o mniejszej wartości tego współczynnika (np. mosiądz lub stop żelaza z niklem); przy wzroście temperatury bimetal wygina się w kierunku warstwy biernej; stosuje się je m.in. w urządzeniach do pomiaru temperatury, urządzeniach termoregulacyjnych, bezpiecznikowych i sygnalizacyjnych.

KONIEC