EN
Какво определя силата и гъвкавостта на спираловидните пружини
Спиралните пружини намират приложение в безброй области, започвайки от автомобила, с който шофирате, до стола, на който седите. Техните възможности за съхранение и освобождаване на енергия, амортисиране на ударите и устойчивост на натоварване са забележителни. Но дали някога сте се замисляли какво прави една пружина силна и твърда, докато друга е мека и гъвкава? Решението на този въпрос е изключително интересно физическо, материалознаническо и инженерно явление.
Ключовото Роля значение на избора на материала
По дефиниция, пружина е съхранение на енергия. Характерът на материала, от който е изработена, определя нейната производителност. Не всички метали могат да бъдат превърнати в ефективни пружини.
Един от тях е модулът на еластичност на материала или модулът на Юнг. Това е мярка за естествената стегнатост на материала. При повечето пружинни стомани стойността е сравнително постоянна. Това означава, че при определен дизайн на пружините висококачествената стомана няма да ги направи по-еластични, а предимно по-силни и по-издръжливи.
Важна е крайната якост на опън на материала. Пружината трябва да може многократно да издържа цикли на натоварване и разтоварване, без да променя формата си. Това изисква висока граница на еластичност, т.е. винаги има определено ниво на напрежение, под което материала умишлено възстановява първоначалната си форма. Популярни стомани включват въглеродни стомани с високо съдържание на въглерод и легирани стомани като хром-ванадиеви или силиций-мanganови, които могат да бъдат обработени, за да се постигне тази висока якост.
Силата на Конструкция и геометрия на пружината
Въпреки че материала определя потенциала, физическите размери на пружината определят окончателните характеристики. Физиката на спирална пружина е истинско майсторско произведение, при което множество фактори действат в хармония.
Един от основните фактори е диаметърът на жицата. Това вероятно е най-естествената зависимост. Пружина, изработена от по-дебела и по-здрава жица, ще се окаже значително по-устойчива на компресия и много по-силна в сравнение с пружина от тънка жица. Якостта на жицата нараства значително с увеличаване на нейния диаметър; всъщност тя е пропорционална на четвърта степен на диаметъра на жицата. Това означава, че дори малко увеличение в дебелината на жицата води до много голямо увеличение на стегнатостта.
От голямо значение е и диаметърът на бобината. Да предположим, че извиваме дебела пръчка и тънка пръчка. По-тънката пръчка се огъва лесно. Същото важи и в този случай. Пружината с по-голям среден диаметър на бобината ще бъде значително по-еластична в сравнение с тази с малък диаметър на бобината, при условие че всички останали фактори остават постоянни. Твърдостта е директно пропорционална на куба на средния диаметър на бобината.
Накрая, но не по-маловажно, решаващо значение има активният брой на навивките. Пружината с повече навивки ще бъде много по-мека и ще може да отклони товара значително по-лесно в сравнение с къса пружина с по-малко навивки. Причината за това е, че товарът се разпределя между по-голям брой навивки, което означава, че всяка отделна навивка трябва да се огъне в по-малка степен. Увеличеният брой активни навивки води до по-голяма гъвкавост.
Влиянието на Производство Процеси
Това е критичен процес, който задържа устойчивостта на пружината между момента, когато тя е била обикновена жица, и когато се превръща в високоефективна пружина.
Дори самият процес на навиване може да причини напрежения в материала. Всъщност реалната промяна се постига чрез термична обработка. Пролетите се закаляват и отпускат след като бъдат навити. Тази топлинна операция премахва вътрешните напрежения от навиването и оптимизира микроструктурата на метала, осигурявайки му необходимата висока еластична граница и издръжливост. Пролет, която не е подложена на термична обработка, ще се разгражда или ще се деформира перманентно с времето.
Пясъчното обработване е друг процес. То се състои в подлагане на повърхността на пролетта на обстрел с малки сферични частици. Това създава матирана повърхност, която предизвиква компресионни напрежения, значително подобряващи живота на пролетта при умора. Този метод ще предотврати образуването и разпространението на пукнатини и ще позволи на пролетта да издържи милиони цикли на компресия.
Накратко, няма магическа съставка за якост и гъвкавост на спирална пружина. Това са внимателното и прецизно подбиране на подходящия материал, изработването на точната геометрия и прилагането на определени производствени обработки. Именно тяхното хармонично съчетание – тези три стълба, позволява на проста жична спирала да изпълнява толкова сложна и необходима задача.