Pakiety sprężyn i ich cechy

58
Podział długiego pakietu sprężyn

Najlepszym układem sprężyn jest układ wykorzystujący najmniejszą możliwą liczbę pojedynczych sprężyn. Aby to osiągnąć, średnica zewnętrzna powinna być zawsze możliwie największa. Powoduje to automatyczne skrócenie długości stosu.

Wraz ze wzrostem liczby sprężyn talerzowych zwiększa się tarcie i nierównomierne ugięcie poszczególnych talerzy. Zaleca się, by długość stosu wynosiła w przybliżeniu L0≤ 3 · De. Jeśli zastosowanie stosu o większej długości nie jest możliwe, wówczas należy podzielić go na 2 lub 3 stosy częściowe wyposażone w odpowiednie podkładki. Podkładki powinny być prowadzone w możliwie najbardziej dokładny sposób.

Aby zapewnić utrzymanie tarcia w odpowiednich granicach, nie należy układać w stos równolegle sprężyn w liczbie większej niż 2 lub 3, chyba że duże straty z tytułu tarcia są pożądane. Przy ułożeniu 2 lub więcej sprężyn w sposób równoległy należy spodziewać się znacznego wzrostu ich temperatury w szczególności w przypadku obciążenia dynamicznego. Na ile to możliwe, powierzchnie oporowe stosu sprężyn talerzowych powinny stykać się ze średnicą zewnętrzną, jednak jest to możliwe tylko wtedy, gdy obie powierzchnie oporowe posiadają jednakową liczbę pojedynczych sprężyn lub zestawów sprężyn.

Wyrównanie liniowe stosu sprężyn

 

Sprężyny talerzowe znajdujące się wewnątrz pakietu sprężyn nie zawsze przemieszczają się w sposób jednakowy.

Prowadzi to w sposób naturalny do przeciążenia jednego z końców stosu, a w konsekwencji zmniejszenia jego trwałości zmęczeniowej. Jest to również powód, dla którego pierwsze pęknięcia pojawiają się najczęściej na końcach stosu sprężyn. Dlatego zaleca się wyrównywanie stosu sprężyn na pręcie prowadzącym za pomocą drążka w kształcie litery V, a następnie zabezpieczenie takiego ułożenia przez delikatne wstępne obciążenie. Po wyrównaniu stosu sprężyn nie powinno się dopuszczać do jego całkowitego odprężenia. Postępowanie takie okazało się najbardziej zadowalające w praktyce dla celów minimalizacji tarcia stosu sprężyn. Jeśli z przyczyn projektowych nie ma możliwości wyrównania liniowego stosu, wówczas stos należy ścisnąć raz lub dwukrotnie do całkowitego wypłaszczenia. Działanie takie powoduje również wyśrodkowanie sprężyn i zmniejsza tarcie.

Tarcie w stosach ułożonych pionowo jest zazwyczaj nieco mniejsze od tarcia w stosach poziomych. Z tych względów zaleca się, by długie stosy układane były w pionie.

W przypadku stosu obciążanego dynamicznie występuje okres „dotarcia”, w czasie którego tarcie pozostaje zmniejszone, szczególnie wówczas, gdy stos jest wielowarstwowy. Powodem tego jest efekt wygładzający zarówno na krawędziach stykowych, jak i stykowych powierzchniach bocznych sprężyn.

59
Przykład nierównomiernego ugięcia wewnątrz stosu sprężyn

Luz elementu prowadzącego

Sprężyny talerzowe zawsze wymagają zastosowania elementu prowadzącego, zapobiegającego ich ruchom poprzecznym. Element prowadzący może znajdować się po stronie zewnętrznej De lub wewnętrznej Di sprężyn, jednak z uwagi na zalety konstrukcyjne i ekonomiczne preferuje się stosowanie elementu wewnętrznego (sworznia) od elementu zewnętrznego (tulei).
Norma DIN 2093 zaleca stosowanie następujących wartości luzu pomiędzy elementem prowadzącym a sprężyną.

De lub DiLuz
do 16 mm0,2 mm
powyżej 16 do 20 mm0,3 mm
powyżej 20 do 26 mm0,4 mm
powyżej 26 do 31,5 mm0,5 mm
powyżej 31,5 do 50 mm0,6 mm
powyżej 50 do 80 mm0,8 mm
powyżej 80 do 140 mm1,0 mm
powyżej 140 do 250 mm1,6 mm

 
Wartości te przedstawiają różnicę średnic. W pewnych warunkach istnieje możliwość zmniejszenia luzu elementu prowadzącego np. we wrzecionach szybkobieżnych.
Aby zapobiec zakleszczaniu się poszczególnych sprężyn talerzowych na sworzniu prowadzącym lub w tulei prowadzącej, sprężyna musi być zaprojektowana w taki sposób, by jej przekrój poprzeczny był prostokątny Wszystkie cztery narożniki są lekko zaokrąglone o promieniu o wartości ok. t/8.

61
Prostokątny przekrój sprężyny zapobiega zakleszczeniu się sworznia prowadzącego w czasie uginania

Elementy prowadzące i płaszczyzny oporowe

Elementy prowadzące i płaszczyzny oporowe powinny być w miarę możliwości utwardzane do poziomu co najmniej 55 HRC i minimalnej głębokości 0,8 mm. Powierzchnia pręta prowadzącego powinna być gładka i najlepiej oszlifowana. Do zastosowań dynamicznych zalecamy smarowanie smarem wysokociśnieniowym zawierającym MoS2. W zastosowaniach statycznych elementy prowadzące nie muszą być utwardzone.

Tarcie

Z uwagi na zjawisko tarcia rzeczywiste obciążenia uzyskiwane w wyniku obciążania i odciążania stosu sprężyn mogą odbiegać od wartości obliczeniowych. Rozbieżności te są miejscami kłopotliwe, lecz wymagane z punktu widzenia zastosowania. Dlatego często zachodzi konieczność obliczenia i uwzględnienia tarcia.

Przyczyny tarcia

Całkowite tarcie w stosach sprężyn talerzowych stanowi sumę 4 różnych czynników składowych :

  1. Tarcie wewnętrzne spowodowane przez odkształcenie elastyczne materiału. Pojawia się ono przy każdym ugięciu materiału i nie ma możliwości jego zmiany.
  2. Tarcie końcowych płaszczyzn oporowych w wyniku ruchu promieniowego pomiędzy sprężyną a powierzchnią oporową. Występuje ono tylko przy ostatniej sprężynie w stosie, ponieważ pozostałe sprężyny nie przemieszczają się względem siebie.
  3. Tarcie sprężyn o element prowadzący spowodowane przez ruch osiowy sprężyn podczas uginania.
  4. Tarcie pomiędzy sprężynami w przypadku ułożenia równoległego.
60
Tarcie w sprężynach talerzowych

Pierwsze trzy rodzaje tarcia występują w przypadku sprężyn pojedynczych i stosów sprężyn z jedną serią. Dlatego faktem jest, że tarcie w przypadku sprężyn talerzowych jest zawsze wyższe niż w przypadku sprężyn zwojowych.

Czynniki wpływające na tarcie i ich skala

Wielkość tarcia zależy od bardzo wielu czynników:

Czynniki geometryczne:

  • Kształt przekroju poprzecznego
  • Promienie krzywizny narożników
  • Wielkość luzu elementu prowadzącego
  • Szorstkość powierzchni sprężyn i elementów prowadzących

Czynniki materiałowe:

  • Materiał sprężyn i elementów prowadzących
  • Twardość sprężyn i elementów prowadzących
  • Ochrona powierzchni sprężyn
  • Rodzaj środka smarnego

Czynniki montażowe:

  • Liczba sprężyn ułożonych równolegle
  • Długość stosu sprężyn

Czynniki zależne od obciążenia:

  • Długość skoku sprężyny
  • Szybkość obciążania (częstotliwość)

W zależności od konkretnego przypadku udział poszczególnych czynników w tarciu całkowitym różni się znacznie, w związku z czym możemy podać jedynie następujące wskazania:
Często nie docenia się wpływu obróbki powierzchniowej. Np. tarcie sprężyn ocynkowanych jest mniejsze od sprężyn fosforanowanych. Przy równoległym ułożeniu w stos największe tarcie występuje pomiędzy sprężynami i wzrasta wraz z rosnącą liczbą sprężyn równoległych. Tarcie to można jednak ograniczyć stosując odpowiedni smar (patrz strona 64).
Z doświadczenia wiadomo, że względnie duże ugięcie s/h0 lub (s2 – s1)/h0 powoduje większe tarcie niż niewielkie ugięcie. Czynniki te należy uwzględnić w przypadku zastosowań sprężyn o wysokiej częstotliwości. Z uwagi na dużą liczbę czynników nie ma możliwości wyprowadzenia dokładnego obliczenia tarcia w stosach sprężyn talerzowych. Jednak na podstawie wielu badań sprężyn o różnych rozmiarach ustalono wartość ±2,5% na sprężynę równoległą (+ obciążanie, – odciążanie), dającej poniższe wartości:

Wpływ tarcia na obciążenie sprężyny
1 sprężyna ± 2… 3%
2 sprężyny równoległe ± 4… 6%
3 sprężyny równoległe ± 6… 9%
4 sprężyny równoległe ± 8… 12%
5 sprężyn równoległych ± 10… 15%

 

62
Rysunek przedstawia główne zmiany obciążenia dla 1 do 4 sprężyn ułożonych równolegle.

Obliczanie tarcia wg DIN 2092
Norma DIN 2092, wyd. 1/92 opisuje metodę obliczania tarcia FR przy obciążaniu sprężyny. Pomija ona tarcie wewnętrzne oraz tarcie o pręt prowadzący. Wartości te należy uzyskać w wyniku dodatkowych obliczeń. Poniższe wartości dla tarcia powierzchniowego i krawędziowego wg DIN 2092 zawierają się we względnie szerokim zakresie.
Dlatego naszym zdaniem – pomimo teoretycznej poprawności postępowania – ostatecznie nie uzyskuje się wyników lepszych niż w przypadku uwzględnienia tarcia poprzez proste dodanie wartości percentylowej. Ze względów kompletności przedstawiamy tą metodę obliczeniową poniżej.
Stosuje się następujący wzór:

Pakiety wzor 1
Wzór

Gdzie:
F = Obliczeniowe obciążenie sprężyny wg wzoru 7
n = Liczba sprężyn ułożonych równolegle
wM = Współczynnik tarcia powierzchniowego
wR = Współczynnik tarcia krawędziowego
– = Przy obciążaniu
+ = Przy odciążaniu

Dla n = 1 wzór opisuje zależności jednej sprężyny pomiędzy dwiema płytkami płaskimi. Dla współczynników tarcia wM i wR norma DIN 2092 daje poniższe wartości:

Serie wg DIN 2093wMwR
Seria A0,005… 0,0300,03… 0,05
Seria B0,003… 0,0200,02… 0,04
Seria C0,002… 0,0150,01… 0,03

 

Zastosowanie tych wartości do obliczeń z wykorzystaniem wzoru daje poniższe liczby, które są znacznie łatwiejsze do zrozumienia:

Zmiana obliczeniowego obciążenia sprężyny w wyniku tarcia podana jest w procentach.
+ = Zwiększenie obciążenia podczas obciążania / – = Zmniejszenie obciążenia podczas odciążania

n = 1n = 2n = 3
Seria A+3,09… +5,26+3,63… +8,70+4,17… +12,36
-2,91… -4,76-3,38… -7,41-3,85… -9,91
Seria B+2,04… +4,17+2,35… +6,38+2,67… +8,70
-1,96… -3,852,25… -5,66-2,53… -7,41
Seria C+1,01… +3,09+1,21… +4,71+1,42… +6,38
-0,99… -2,9-1,19… -4,31-1,38… -5,66

 
Wyniki te przedstawiono na rysunku

63
Tarcie sprężyn talerzowych wg DIN 2092

Smarowanie

Duże zróżnicowanie przedstawia wpływ smarowania na tarcie. Dlatego dobór odpowiedniego środka smarnego ma niejednokrotnie wpływ decydujący. Oprócz zmniejszania tarcia może zapobiec on bowiem zacieraniu sprężyn o siebie przy ułożeniu równoległym. W ten sam sposób może on zapobiegać korozji. Poniżej podano środki smarne, jakie mogą być wykorzystywane:

  • Olej

    wykorzystuje się do sprężyn w budowie maszyn, szczególnie ze smarowaniem centralnym lub przy zapewnionym ciągłym podawaniu oleju.

  • Smar

    jest bardziej odpowiedni, jeśli powtórne smarowanie jest kłopotliwe lub nie da się wykonywać go w sposób regularny.

  • Farby

    ślizgowe wykonane są na bazie MoS.2 i stanowią one skuteczne rozwiązanie zapewniające stałe smarowanie. Gwarantują one również wysoki stopień ochrony przeciwkorozyjnej

Skutki tarcia

Tarcie wpływa głównie na ugięcie sprężyny, tzn. zmienia obciążenia sprężyny. Należy dodać je przy obciążaniu sprężyny i odjąć, gdy sprężyna jest odciążana. Pomiędzy krzywą rzeczywistego obciążania i odciążania występuje pętla histerezy. Tarcie przekształcane jest w ciepło, a przy obciążeniu dynamicznym o dużej częstotliwości może być znaczące. W takich przypadkach zaleca się stosowanie pojedynczych sprężyn talerzowych ułożonych w stos, przy czym zasadniczą rolę odgrywa właściwe smarowanie.
W przypadku magazynowania energii sprężyny histereza stanowi całkowitą stratę i nie ma możliwości jej odzyskania. Jeśli jednak sprężyna wykorzystywana jest do amortyzacji, efekt histerezy ma efekt pozytywny, a praca tarcia stanowi miarę amortyzacji.