К обзору методов расчета винтовых цилиндрических пружин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.778.27.014 (043)

Е.Г. Белков, д-р тех. наук, проф., 8(351)-267-91-96, [email protected], (Россия, Челябинск, ЮУрГУ),

Н.Ю. Землянушнова, канд. техн. наук, доц., 8(865-2)- 35-95-11, [email protected], (Россия, Ставрополь, СГАУ)

К ОБЗОРУ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН

Представлен краткий обзор известных методов расчета пружин и отмечена актуальность создания универсальной комплексной программыуасчета пружин на современных ПЭВМ.

Ключевые слова: винтовая цилиндрическая пружина, качество, программа

расчета.

Повышение качества машин является одной из важнейших проблем, приобретающей особую актуальность в связи с увеличен ем мощности, быстроходности, а также ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники. Работоспособность и стабильные эксплуатационные характеристики большинства машин лимитируются ресурсом пружин, т.е. их релаксационной стойкостью и стабильностью силовых характеристик. Неблагоприятные условия при эксплуатации пружин приводят к значительным остаточным деформациям, к развитию скрытых дефектов метала и их поломке. Например, при разрушении и осадке пружины гвдрозамка при эксплуатации «Подъёмника автомобильного трехколенного» возникает аварийна ситуация. Разрушение пружины клапана двигателей автомобилей семейства ВАЗ ведёт к аварийному выходу из строя всего двигателя с поломкой других деталей. Осадка пружин задней и передней подвесок автомобилей в результате соударения витков сопровождается преждевременным разрушением лонжеронов и кузова.

В 1967 год Ленинградским центральным научно-

исследовательским институтом материалов (ЦНИИМ) под руководством Шалина В.Н. были проведені исследования, которые показали [1, 2], что роль касательных напряжений при эксплуатации пружин является преобладающей и решающей лишь в том случае, если скорости нагружения невелики и в процессе движения витков не происходит их соударения или сдавливания. Практически в пружинах наблюдаются остаточное смятие витков в области конакта и волновой характер движения витков с многократными отражениями, что затрудняет аналитическое исследование взаимного действия касательных и контактных напряжений на осадку пружин. Для упрочнения таких пружин рекомендовано конакгное заневоли-вание, заключающееся в их дополнительном сжатии вдоль оси после со-

прикосновения витков в специальных приспособлениях. Впервые контактное заневоливание было осуществлено [3, 4] на Тульском машиностроительном заводе. Изготовленные пружины (143 шт.) прошли приёмосдаточные испытания и испытания на полный ресурс, показав превосходство над штатными, а разработанные устройства и способ для контактного заневоливания были внедрены на Чистопольском часовом заводе, предприятии п/я М-5980 (г. Химки, Московская область), в НПО «Машиностроение» (г. Реутов, Московская область), на предприятии п/я Р-6719 (Горьковска область), Саранском заводе «Электровыпрямитель», Уфимском моторостроительном заводе, в КБ «Салют» (г. Москва), Омском машиностроительном бюро и даи положительный эффект.

Однако использование контактного заневоливания винтовых цилиндрических пружин сжатия было ограничено из-за отсутствия его аналитического обоснования.

С появлением и использованием современных ЭВМ, быстродействующих персональных компьютеров, современных математических программ и методов появилась возможность решать все более усложняющиеся производственные задачи, в том числе технологические задачи контактного заневоливания пружин. Раскрылись возможности дальнейшего теоретического исследования на современном уровне сложной задачи, учитывающей крутящий момент и контактную нагрузку между витками пружины.

В работе [5] предложена математическая модель напряженно-деформированного состояния винтовой цилиндрической пружины сжатия из проволоки круглого сечения пи контактном заневоливании. Условие пластичности пружинной проволоки при совместном сжатии пружины вдоль оси и кручении получено путём сопоставления исследуемого напряжённого состояния поволоки с одноосным растяжением, имеющим ту же интенсивность напряжений. Получены зависимости и приведён алгоритм для определения основных геометрических параметров и силы сжатия контактно заневоленной пружины до соприкосновения витков. Расчёт выполнен численным интегрированием по элементарным площадкам по сечению витка пружины в программе MathCAD. Полученные в результате теоретического исследования зависимости (уравнения регрессий) между нагрузкой контактного заневоливания и осадкой, а также силой сжатия пружины до соприкосновения витков полезны пи проектировании пружин.

Недостатком работы является больша трудоемкость использования предложенных зависимостей в программе MathCAD. Необходимо раз-

работать программу, позволяющую свести участие пользователя только к постановке задачи и анализу результата.

Хорошим примером может служить программа по расчету пружин «Пруж-92» (раработчики ЮуРГУ и Белебеевское ОАО «Автонормаь»). Заложенный в программе агоритм позволяет рассчитывать конструкторские и технологические параметры пружин, упрочняемых пластической осадкой. В работе [6] намечены пути создания универсаьной комплексной программы расчета на современных ПЭВМ конструкторских и технологических параметров раличных пружин рациональной конструкции из ра-личных материалов, к которым следует добавить решение задачи рара-ботки программы расчета на современных ПЭВМ пружин при контактном заневоливании. Обзор литературы по расчету винтовых пружин, приведённый в работе [6], можно представить таблицей.

Результаты расчета винтовых пружин

Авторы, навание программ Винтовые пружины Другие виды пружин

в упругой области в упругопластической области с использован ем ПЭВМ

Пономарев С. Д. + + - +

Шаин В.Н. Анурьев В.И. + - - -

Пономарев С. Д. Андреева Л.Е. + + - -

Белков Е.Г. - + - -

«Компас» АСКОН «Т-БЬЕХ. Пружины» + - + +

Лавриненко Ю.А. Белков Е.Г. + + + -

Шаин В.Н. Крюков Б.Н. Тебенко Ю.М. Землянушнова Н.Ю. Хаьфин М.Н. «МаШСАО» + + + -

Вывод. Для создания универсаьной комплексной программы расчета на современных ПЭВМ конструкторских и технологических параметров пружин из различных материалов и различной конструкции, в том числе пружин, подвергаемых контактному заневоливанию, необходимо провести даьнейшие исследования и разработать недостающие методики.

Библиографический список

1. Технический отчёт №2 7036 / ЦНИИМ. Санкт-Петербург. 1967.

2. Крюков Б.Н. О влиянии контактных напряжений от соударения витков пружин на их живучесть // Производственно-технический бюллетень. 1970. N° 4. С. 58-61.

3. Тебенко Ю.М. Испытание пружин // Оборонна техника. № 6, 1972.

4. Тебенко, Ю.М. Отчёт о результатах изготовления и испытания пружин 5-7К изделия 2А28 программы апреля 1971 года / Ю. М. Тебенко // Машзавод. Тула. 1971.

5. Землянушнова Н. Ю. Совершенствование процесса контактного заневоливания винтовых цилиндрических пружин сжатия: дис... канд. техн. наук / Новочеркасск, 2007. 193 с.

6. Белков Е.Г., Лавриненко Ю.А. Перспективы развития методов проектирования высоконагруженных упрочненных пружин для машиностроительных и металургаческих агрегатов // Научно-технический прогресс в металургии : сб. науч. тр. РИК по учебной и методической литературе. Алма-Ата, 2007. С. 45—47.

Belkov E. G, Zemlyanushnova N. U.

To the review of the cylindrical spiral springs analysis

The brief review of known method of the cylindrical spiral springs analysis is presented. The actuality of the universal comprehensive program creation for the springs analysis by applying PC is marked.

Получено 05.08.09