Регулируемые по длине цилиндрические винтовые пружины Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 621.01

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ПО ДЛИНЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ВИНТОВЫЕ ПРУЖИНЫ

Ю.С. МАРКИН, О.Ю. МАРКИН Казанский государственный энергетический университет

Описан разработанный новый класс регулируемых по длине цилиндрических винтовых пружин, который найдет применение во всех отраслях техники.

Ключевые слова: пружины, цилиндрические, винтовые, регулируемые по длине.

Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина сжатия или растяжения [1]. Пружина 1 (рис. 1) состоит из проволоки, в основном круглого или прямоугольного сечения, витки которой расположены по винтовой линии. Выполнена из двух частей 2 и 3. Торцы частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К каждой части к одному из торцов жестко прикреплен шестигранный элемент, соответственно 4 и 5, под гаечный ключ с возможностью вращения. Обе части пружины ввернуты друг в друга. Пружина сжатия снабжена направляющим стержнем 6, расположенным внутри нее. Пружина растяжения снабжена направляющим цилиндром 7, расположенным снаружи (на рис. 1 направляющий цилиндр изображен штрихпунктирной линией).

При наличии направляющего стержня 6 пружина может работать на сжатие. В этом случае действующие силы ^ - ^ сжимают свободные участки пружины. Упругая характеристика такой пружины показана на рис. 2. При перемещении правого конца пружины на величину 8сж длина пружины уменьшается. Упругие свойства свободных участков пружины изменяются по линейным законам, а совместная часть пружины не деформируется и поэтому не изменяется. При необходимости, например при старении витков свободных частей пружины, ее удлиняют вывертыванием частей друг из друга и этим восстанавливают ее первоначальные упругие свойства. Часто в предохранительных устройствах надо изменять нагрузку их срабатывания. В этом случае предлагаемая пружина незаменима. Имеется еще огромное количество случаев использования полезных свойств предлагаемой пружины.

2 7 13

* 6

Рис. 1. Схема пружины

О

I

Г

Рис. 2. Схема деформации пружины при сжатии

© Ю.С. Маркин, О.Ю. Маркин Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

При работе пружины на растяжение ей необходим направляющий цилиндр 7. При увеличении длины пружины на величину 5раст изменяются, соответственно, и ее упругие свойства. График изменения упругих свойств пружины показан на рис. 3. Ввертыванием или вывертыванием одной части пружины из другой регулируют длину пружины, а следовательно, и ее упругие свойства. Совместная часть пружины и в этом случае не деформируется, а если и деформируется, то в очень малых пределах. Случаи использования пружины растяжения также огромны, как и пружины сжатия.

о I

Рис. 3. Схема деформации пружины при растяжении

Цилиндрическая винтовая пружина растяжения [2]. Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина растяжения (рис. 4) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, и выполнена из двух частей 1 и 2. Часть 1 является внешней, а часть 2 - внутренней. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов каждой части пружины жестко прикреплен шестигранный элемент соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую при плотном расположении витков. Каждая из частей выполнена из проволоки треугольного сечения, причем у внешней части пружины треугольное сечение направлено вершиной внутрь, а у внутренней - вершиной наружу.

3 1 2 4

Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина (рис.4), может работать только на растяжение, поскольку витки пружины расположены плотно друг к другу. В этом случае силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Поэтому в направляющем цилиндре в этом случае нет необходимости. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием внутренней части пружины из наружной.

Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина с трапецеидальным профилем проволоки [3]. Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина растяжения - сжатия (рис. 5) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, и выполнена из двух частей 1 и 2. Часть 1 является внешней, а часть 2 - внутренней. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов

каждой части пружины жестко прикреплен шестигранный элемент соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. На рис. 5 показана внутренняя часть ввернутой в наружную часть пружины. Каждая из частей выполнена из проволоки трапецеидального сечения, причем у внешней части пружины трапецеидальное сечение направлено большим основанием наружу, а у внутренней - внутрь, при этом основания трапеций одинаковы, одинаковы и углы наклона соприкасающихся боковых сторон трапецеидальных сечений. При таком сочетании профилей сечений двух частей проволок пружины происходит их самоцентрирование, поэтому направляющие стержни и цилиндры не нужны.

3 1 2 4

растяжения - сжатия

Такая пружина может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении пружины силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, при сжатии -внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Поэтому направляющие цилиндры и стержни в этом случае не нужны. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием внутренней части пружины из наружной.

Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина растяжения и сжатия одного из участков [4]. Цилиндрическая винтовая пружина растяжения и сжатия одного из участков (рис. 6) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, и выполнена из двух частей 1 и 2, торцы которых ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К каждой из частей к одному из торцов жестко прикреплен шестигранный элемент, соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. Одна часть 1 пружины является внешней при плотном расположении витков, а другая часть 2 - внутренней. Внешняя часть выполнена из проволоки трапецеидального сечения, большее основание которого направлено наружу (см. рис. 6). У внутренней части пружины треугольное сечение направлено вершиной также наружу. При этом углы наклона соприкасающихся сторон трапеции и треугольника одинаковы.

Данная пружина может работать обеими частями на растяжение, поскольку витки наружной части пружины расположены плотно друг к другу. Витки внутренней части пружины разомкнуты и также могут работать на растяжение. В этом случае силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки конического резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга, поэтому в направляющем цилиндре и в направляющем стержне нет необходимости. На сжатие может работать только внутренняя часть 2 пружины, поскольку ее витки разомкнуты и имеют возможность приближаться друг к другу. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием внутренней части пружины из наружной.

Рис. 6. Схема пружины

Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина с различными коэффициентами жесткости составных частей [5]. Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина с различными коэффициентами жесткости составных частей (рис. 7) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, выполнена из двух частей 1 и 2. Торцы частей ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины, к каждой из которых к одному из торцов жестко прикреплен шестигранный элемент 3 и 4 под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. Одна часть пружины является внешней (в нашем случае часть 1), а другая часть 2 - внутренней. Каждая из частей выполнена из проволоки трапецеидального сечения, причем у внешней части 1 пружины трапецеидальное сечение направлено большим основанием наружу, у внутренней части 2 - большим основанием внутрь. При этом трапецеидальные сечения различных частей пружины выполнены с разными размерами оснований, большими или меньшими друг относительно друга в такое количество раз, которое бы соответствовало отношению коэффициентов жесткости, соответственно с\ и с2, частей пружины при касании боковых сторон трапецеидальных сечений.

Рассматриваемая пружина может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении пружины силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, а при сжатии -внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием внутренней части пружины из наружной. При равенстве оснований сечений обеих частей пружины их площади были бы одинаковы. При одинаковых длинах частей пружины их коэффициенты жесткости С1 и с2 также были бы одинаковы. Очевидно, что с уменьшением площади поперечного сечения одной из частей пружины ее коэффициент жесткости также уменьшается. Соотношения между коэффициентами жесткости частей пружины устанавливаются элементарными расчетами (см. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов, 1986. С. 236). Также элементарно вычисляются и площади трапеций, и коэффициенты жесткости пружин и их соотношения.

Рис. 7. Схема пружины с разными коэффициентами жесткости ее частей

Регулируемая по длине пружина сжатия-растяжения [6]. Пружина сжатия или растяжения (рис. 8) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, выполнена из двух частей 1 и 2. Часть 1 является гайкой, а часть 2 - винтом. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов каждой части пружины жестко прикреплен

шестигранный элемент, соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. На рис. 8 (I) - винтовая часть пружины, ввернутой в гаечную часть (т. е. витка-винта пружины, ввернутого в виток-гайку пружины) при этом виток-гайка пружины выполнен с боковым прямоугольным пазом, направленным в сторону расположения витка-винта пружины, а виток-винт пружины выполнен с боковым прямоугольным шипом, обращенным в сторону паза и сопряженным с ним.

Пружина сжатия или растяжения, образованная двумя частями ввернутыми друг в друга, может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении пружины силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, при сжатии - внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Поэтому направляющие цилиндры и стержни в этом случае не нужны. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием винтовой части пружины из гаечной.

Пружина сжатия-растяжения [7]. Пружина (рис. 9) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, выполнена из двух частей 1 и 2. Часть 1 является гайкой, а часть 2 - винтом. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов каждой части пружины жестко прикреплен шестигранный элемент, соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. На рис. 9 показана (I) винтовая часть пружины, ввернутой в гаечную часть пружины (т. е. витка-винта пружины, ввернутого в виток-гайку пружины) при этом поперечное сечение витка-гайки пружины выполнено с двух сторон с боковыми прямоугольными пазами, а поперечное прямоугольное сечение витка-винта выполнено с двух сторон с прямоугольными шипами. Пазы и шипы между собой сопряжены.

/

Рис. 8. Схема пружины с прямоугольным пазом и шипом

/

3 / 2 *

/

Рис. 9. Схема пружины сжатия растяжения

Эта пружина может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении пружины силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, при сжатии силы - внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Поэтому направляющие цилиндры и стержни в этом случае не нужны. Длину пружины регулируют ввертыванием винтовой части пружины в гаечную часть или вывертыванием винтовой части пружины из гаечной.

Пружина сжатия-растяжения [8]. Пружина сжатия или растяжения (рис. 10), витки которой расположены по винтовой линии, выполнена из проволоки с прямоугольным сечением и состоит из двух частей 1 и 2. Часть 1 является гайкой, а часть 2 - винтом. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов каждой части пружины жестко прикреплен шестигранный элемент, соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. Каждая из частей выполнена из проволоки прямоугольного сечения. Прямоугольное сечение витка-гайки 1 выполнено с двух сторон с боковым двугранным пазом, а поперечное прямоугольное сечение витка-винта выполнено с двух сторон с двугранным шипом,

Пружина может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, при сжатии -внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т. е. центрируют друг друга. Поэтому направляющие цилиндры и стержни в этом случае не нужны. Длину пружины регулируют ввертыванием витка-винта в виток-гайку или вывертыванием витка-винта из витка-гайки.

Регулируемая по длине пружина с двугранным пазом и шипом [9]. Пружина сжатия-растяжения (рис. 11) состоит из проволоки, витки которой расположены по винтовой линии, выполнена из двух частей 1 и 2. Часть 1 является гайкой, а часть 2 -винтом. Торцы обеих частей пружины ограничены плоскостями, перпендикулярными оси симметрии пружины. К одному из торцов каждой части пружины жестко прикреплен шестигранный элемент, соответственно 3 и 4, под гаечный ключ с возможностью ввертывания одной части пружины в другую. На рис. 11 показана винтовая часть пружины, ввернутой в гаечную часть пружины, т. е. витка-винта пружины, ввернутого в виток-гайку пружины, при этом виток-гайка пружины выполнен с двугранным пазом, направленным в сторону расположения витка-винта пружины, а виток-винт пружины выполнен с боковым двугранным шипом, обращенным в сторону паза и сопряженным с ним.

Пружина может работать как на растяжение, так и на сжатие. При растяжении пружины силы, приложенные к торцам пружины, должны быть направлены по ее оси симметрии в противоположные стороны наружу, при сжатии - внутрь. Ввернутые части пружины взаимодействуют между собой так, как витки резьбового соединения, т.

е. центрируют друг друга. Поэтому направляющие цилиндры и стержни в этом случае не нужны. Длину пружины регулируют ввертыванием одной части в другую или вывертыванием винтовой части пружины из гаечной.

3 1 2 4

Рис. 11. Схема пружины сжатия-растяжения с двугранным пазом и шипом

Описанный класс регулируемых по длине цилиндрических винтовых пружин выполнен на мировом уровне. Он предназначен для использования в предохранительных, компенсирующих, уравнительных и других механизмах общего, специального, сельскохозяйственного и энергетического машиностроения.

Summary

This describes a new type of regulated by length cylindrical helical springs, which will be used in all technical fields.

Key words: springs, cylindrical, helical, regulated by length.

Литература

1. Пат. 96802 РФ, МПК B 21 F 35/00. Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина сжатия или растяжения / А.П. Мартьянов, О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, Ю.С. Маркин- з. № 2010104230/22; заяв. 08.02.2010; опубл. 20.08.2010. Бюл. № 23.

2. Пат. 102545 РФ, МПК B 21 F 35/00. Цилиндрическая винтовая пружина растяжения / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2010142679/02; заяв. 18.10.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.

3. Пат. 102546 РФ, МПК B 21 F 35/00. Цилиндрическая винтовая пружина растяжения - сжатия / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2010142039/02; заяв. 13.10.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.

4. Пат. 102547 РФ, МПК B 21 F 35/00. Цилиндрическая винтовая пружина растяжения и сжатия одного из участков / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2010144914/02; заяв. 02.11.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.

5. Пат. 104493 РФ, МПК B 21 F 35/00. Регулируемая по длине цилиндрическая винтовая пружина / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2010144293/02; заяв. 28.10.2010; опубл. 20.05.2011. Бюл. № 14.

6. Пат. 107981 РФ, МПК B 21 F 35/00. Пружина растяжения-сжатия / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2011108162/02; заяв. 02.03.2011; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

7. Пат. 107982 РФ, МПК B 21 F 35/00. Пружина сжатия-растяжения / Ю.С. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, О.Ю. Маркин. з. № 2011119325/02; заяв. 13.05.2011; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

8. Пат. 107983 РФ, МПК B 21 F 35/00. Пружина сжатия-растяжения / Ю.С. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, О.Ю. Маркин. з. № 2011119327/02; заяв. 13.05.2011; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

9. Пат. 110010 РФ, МПК B 21 F 35/00. Пружина сжатия-растяжения / О.Ю. Маркин, А.А. Мартьянов, А.П. Мартьянов, Ю.С. Маркин и др. з. № 2011108814/02; заяв. 09.03.2011; опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.

Поступила в редакцию 31 января 2012 г.

Маркин Юрий Сергеевич - д-р техн. наук, профессор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-28. E-mail: Yumarkin@rambler.ru.

Маркин Олег Юрьевич - канд. тенн. наук, доцент Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-45. E-mail: Olegmarkin62@mail.ru.