1.1. Zavojne Ravni torzijski štapovi Zavojna fleksijska opruga: 2.2. Spiralna fleksijska

Transcript

1 Nastavna jedinica: OPUGE (elementi za spajanje rastavljivi spojevi) S. Zelenika KEI 7.ppt Definicija: Opruge: Opruge svrsishodnim oblikovanjem i upotrebom visokoelastičnih materijala mogu mehanički rad elastičnom deformacijom pretvoriti u potencijalnu energiju te, vraćanjem u prvobitni oblik, ponovno potencijalnu energiju pretvoriti u mehanički rad. S. Zelenika KEI 7.ppt

2 Mogu se koristiti za: - akumuliranje energije; - vračanje u prvobitni položaj; - ublažavanje udaraca i vibracija; - ravnomjernu raspodjelu opterećenja; - za ograničavanje sile; - za mjerenje sile; - za regulaciju sile. Opružna funkcija: mehanički, pneumatski, hidraulički, magnetski ili elektromagnetski. azvoj opruga: god. p.n.e.: drveni luk za strelice god. p.n.e.: prve metalne (brončane) opruge : prve spiralne opruge - 76.: opružne vage od bronce : H. Besemer razvija postupak dobivanja Č prve čelične opruge - ~ 880.: razvijen postupak patentiranja (izvlačenja) žice češća upotreba - ~ 900.: industrijska proizvodnja opruga - ~ 90.: specijalizirani pogoni za proizvodnju opruga automati

3 Podjela prema vrsti naprezanja u materijalu:. Torzijske opruge:.. Zavojne.. avni torzijski štapovi. Fleksijske opruge (opterećene na savijanje):.. Zavojna fleksijska opruga:.. Spiralna fleksijska opruga (satovi):

4 .3. Tanjuraste (belleville) opruge:.4. Lisnate opruge:

5 PODATLJIVI ELEMENTI [Slocum, Prec. Machine Design, Prentice Hall, 99] [Howell, Compliant Mech., Wiley, 00] [Smith et al., Found. of Ultraprecision Mech. Des., Gordon & Breach, 99] [Smith, Flexures, Gordon & Breach, 000] [Kim, Korea Inst. Tech, 000] [Henein, EPFL, 000] Desktop tvornica (63 x 49 x 38 cm, 34 kg) Prototip novog 6 DOFs manipulatora (nano - tvornica) Prototip nove generacije elektroerozijskih strojeva

6 3. Vlačno-tlačne opruge: Prstenaste opruge za brtvljenje u vakuumskoj tehnologiji: Belüftungsschlitz [ 4. Posmične opruge:

7 5. Zračne opruge: Materijali za opruge: Kaljivi ugljični čelici, Cr-čelici, Si-čelici, Si- Mn-čelici, Cr-V-čelici i nerđajući čelici. Obojeni metali: mjed (CuZn), bronce i novo srebro (slitina Cu-Ni-Zn).

8 Granica tečenja, vlačna čvrstoća i područje primjene materijala: [Decker: Elementi strojeva, 975 i 006] [Decker: Elementi strojeva, 004]

9 Neki legirani čelici imaju m i do 450 N/mm [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ] Specifična sila i deformacije su kod vlaka i savijanja ovisne o E, a kod uvijanja o G: [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ]

10 Okrugla žica za opruge (HN C.B6.0 DIN 73): [Decker: Elementi strojeva, 004] Odgovarajuće vlačne čvrstoće m (N/mm ): [Decker: Elementi strojeva, 004]

11 [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ] Karakteristika (krutost, tvrdoća ) opruga: Ovisnost progiba (puta s) o opterećenju (sili F) ) Opruge s linearnom karakteristikom: F / s ( N / m; N mm)

12 ) Opruge s progresivnom karakteristikom : 3) Opruge s degresivnom karakteristikom: ad koji opruga akumulira prilikom deformacije: Kod linearne karakteristike: Fs W ( J; Nmm) s F

13 Spajanje opruga: Paralelni spoj opruga: Opruge podvrgnute istom progibu s, sila F se dijeli na F, F,... s s si s F s F s F F F K K F i ( K) i s i i s s Dobiva se tvrda kombinacija: Serijski spoj opruga: F djeluje na svaku oprugu u spoju koja se, ovisno o svojoj krutosti i, različito deformira: F F F Fi

14 F F s F F s s s i i K K K K K Mekana kombinacija: Kombinirani spoj opruga: Kombinirani spoj opruga:

15 d g d g d g d g ezultat je sistem male krutosti: g d < < Zavojne torzijske opruge: Po obliku se dijele na: dok se po obliku žice koja se koristi za izradu dijele na:

16 Prema smjeru motanja žice: desnovojne i lijevovojne. S obzirom na smjer djelovanja sile mogu biti tlačne i vlačne: Najčešće su cilindrične zavojne torzijske tlačne opruge s kružnim presjekom žice od koje su izrađene: d 0 mm hladno namatanje d (0) mm hladno ili toplo namatanje (ovisno o materijalu, tehnologiji izrade i veličini opterećenja); d > 7 mm toplo namatanje.

17 Odnos promjera žice d i srednjeg promjera opruge D sr D: D w d w hladno namatanje w 3... toplo namatanje Tlačne cilindrične zavojne torzijske opruge s žicom kružnog presjeka: d/4 Preporuča se da završeci navoja budu na suprotnim stranama te da uvijek ima ukupno 4,5, 5,5, 6,5... navoja. Od ukupnog broja navoja n t u deformaciji sudjeluju samo aktivni navoji n: - hladno oblikovane opruge: - toplo oblikovane opruge: n n t t n n n,5 n 3

18 Najmanji ukupni razmak (zračnost) s a između aktivnih navoja smije iznositi: - hladno oblikovanje: D s a 0,005 0,d n ( mm) d - toplo oblikovanje: 0,0 s a ( D d) n ( mm) Dinamička opterećenja: s a treba za hladno oblikovanje množiti s,5, a za toplo oblikovanje s. s s s n F c L c s c Nestlačena opruga Najmanja dopuštena duljina opruge najveći dopušteni progib s n kod granične sile F n Potpuno stlačena opruga (navoji se dodiruju) nije dopušteno L c duljina bloka

19 Duljina potpuno stlačene opruge: L c knd gdje je k n n t - hladno oblikovane opruge s priljubljenim i brušenim krajevima k n n t,5 - hladno obl. opruge s priljubljenim i neobrađenim krajevima k n n t 0,3 - toplo obl. opruge s priljubljenim i poravnatim krajevima k n n t, - toplo obl. opruge s neobrađenim odrezanim krajevima Duljina opruge pri progibu s n (najmanja dopuštena duljina opterećene opruge): L L s n Duljina slobodne (neopterećene) opruge: L0 Lc sc Lc sn sa L s n c n a

20 Proračun tlačnih cilindričnih zavojnih torzijskih opruga s žicom kružnog presjeka: Žica je opterećena: T F D Polarni moment otpora za žicu kružnog poprečnog presjeka 3 πd W p 6 tangencijalno naprezanje: T 8DF τ 3 Wp πd Uslijed zakrivljenosti žice:

21 Kod dinamički opterećenih opruga i kod statički opterećenih opruga sa w D/d < 6 fl k faktor povećanja naprezanja: τ k kτ k k 5 7 4w 8w w 0,5 w 0,75 w 3 w Kod torzije je deformacija: Tl ϕˆ GI p uz G (N/mm ) modul smicanja, i I p (m 4 ) polarni moment tromosti E d 4 π G I p ν ( ) 3 Duljina žice koja sudjeluje u deformaciji : l Dπn

22 Deformacija se onda može izraziti: D F Dπn 6FD n ˆ ϕ 4 4 d π d G G 3 Za mali kutϕ je progib opruge dan izrazom s 3 D 8D n ˆ ϕ F 4 d G 3 3 8D nπd τ 4 d G 8D πd n τ Gd Krutost opruge je onda: 4 F Gd 3 s 8D n Općenito je progib: F s Pri promjeni sile opterećenja od F do F, hod opruge je: F F s h

23 Potreban broj aktivnih navoja žice: Gd 8D s F n 3 3 Naprezanje u žici opruge : 4 Gds τ πd n 4 Gd 8D Dopuštena naprezanja za tlačne opruge: N promjena opterećenja ili f < 0/min: statičko opterećenje; inače: dinamičko opterećenje.. Statičko opterećenje:.. Hladno oblikovane opruge: sc L0 Lc Fc sc 8D τ c k Fc τ c dop 0,56 3 πd.. Toplo oblikovane opruge: Ne uzima se u obzir faktora k: d (mm) τ c dop (N/mm ) m

24 . Dinamičko opterećenje: τ τ k k 8D k F 3 πd 8D k F 3 πd Amplitudno naprezanje: τ kh τ k τ k τ kh τ kh radna dinamička čvrstoća opruge (dinamička čvrstoća radnog hoda amplituda dinamičke čvrstoće):

25 τ k se izjednačuje s τ kd za koji se kontrolira da li je promjena naprezanja manja od trajne dinamičke čvrstoće hoda opruge τ kh. Budući da se čvrstoća opruge povećava (i do 30%) sačmarenjem: [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ] Za određivanje čvrstoće radnog hoda mogu se koristiti i približni izrazi: τ τ,3τ kh F 0 k τ F čvrstoća kod istosmjernog opterećenja (očitana na ordinati uz τ k 0). Za tlačno opterećene opruge se τ F (N/mm ) može očitati iz tablica: za opruge kvalitete C i D

26 Materijal C, D FD VD Plemeniti Č za toplo obl. opruge HN Čvrstoća tj. naprezanje τ F sačmareno τ F nesačm τ k dop 5 τ F sačmareno 500 τ F nesačm. 370 τ k dop 880 τ F sačmareno 630 τ F nesačm. 530 τ k dop 835 τ F sačmareno τ F nesačm. C.B0.55 τ k dop 490 Nerđajući čelik τ F 000 τ k dop Promjer žice d (mm) Čvrstoća τ F (N/mm ) i dopušteno naprezanje τ k dop (N/mm ) materijala za opruge Za poboljšani čelik za ventilske opruge (VD) je dijagram čvrstoće za sačmarene opruge: Duge (vitke veliki odnos L 0 /D) tlačno opterećene opruge treba kontrolirati i na izvijanje, posebno ako je opterećenje ekscentrično.

27 Vlačne cilindrične zavojne torzijske opruge s žicom kružnog presjeka: Hladno oblikovane opruge se namataju s predopterećenjem F 0. Do razdvajanja navoja dolazi tek pri opterećenju > F 0. azmak na ušici L H ovisi o obliku ušice [Decker: Elementi strojeva, 006]

28 U općem slučaju je LK ( nt ) d a duljina neopterećene opruge je onda L0 L K L H Konačno, L n je najveća dopuštena duljina vlačne opruge ona pri kojoj se postiže naprezanje τ dop. Pri statičkom opterećenju je naprezanje: 8D τ k F< τ 3 dop πd Na dinamičku čvrstoću vlačne opruge bitno utječe oblik ušice i pouzdanih podataka nema fl dinamički opterećene vlačne opruge treba izbjegavati i pretvarati u tlačne: Krutost je (kao i kod tlačne opruge): 4 Gd 3 8D n Za opruge bez predopterećenja je progib s F/ a za one s predopterećenjem s (F - F 0 )/ (tj. krutost je (F - F 0 )/s).

29 Dopuštena naprezanja za vlačne opruge: Hladno oblikovane opruge (pri najvećoj sili koja se javlja u opruzi): τ dop 0,45 m Kod toplo oblikovanih opruga (namatanje s predopterećenjem nije moguće): 600 MPa τ dop Vlačne opruge su rijetko opterećene dinamički. Ako jesu, opet se uzima u obzir faktor k. avni torzijski štapovi: Struk opruge je stanjen, a krajevi mogu biti različiti: τ t T W p 6T 3 πd τ t dop

30 Kut uvijanja: Tl f ˆ ϕ (rad) GI p 3Tl Gπd l f efektivna duljina dijela štapa koji sudjeluje u uvijanju ( opružna duljina ): f 4 vidjeti [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ] Krutost torzijskog štapa: T G d π ˆ ϕ 3 l f 4 ( Nm ) rad Za materijale prema HN C.B0.55 (kvalitetni i plemeniti čelici) su dopuštena naprezanja: - statičko opterećenje: 700 N/mm τ t dop - pretordirani štapovi: 00 N/mm τ t dop

31 τ - dinamičko opterećenje: - amplitudno naprezanje: τ k τ τ τ H - dinamička čvrstoća hoda opruge: τ τ 0,3τ τ dop kh F 00 N/mm za pretordirane štapove [Decker: Elementi strojeva, 975 i 006.] d (mm) τ F (N/mm ) za N. 0 6 [Decker: Elementi strojeva, 004] [Ž. i G. Orlić: Metalne opruge ]

32 PITANJA? Što smo naučili - Definicija opruge. - Zašto se opruge koriste. - Podjela prema vrsti naprezanja u materijalu (torzijske, fleksijske, vlačno-tlačne, posmične, zračne, prstenaste,...). - Materijali za opruge. - Karakteristike opruga (linearne, progresivne, degresivne). - Paralelni, serijski i kombinirani spoj opruga.

33 Što smo naučili () - Tlačne zavojne torzijske opruge, njihov proračun i dopuštena naprezanja kod statičkog i dinamičkog opterećenja. - Vlačne zavojne torzijske opruge i njihov proračun. - avni torzijski štapovi, njihov proračun i dopušteno naprezanje kod statičkog i dinamičkog opterećenja.