Пружинный механизм

История пружин (по материалам википедии)

Основные принципы пружины были известны еще несколько тысяч лет назад в рамках механизмов, которые используют внезапное освобождение механической (потенциальной) энергии, например лук или некоторые ловушки на животных (в форме сильно натянутых деревянных стержней).

Лук периуда неолита

Железные ножницы из Трабзона, Турция, около 2 в. Новой эры.

Более сложные пружины датируются Бронзовым веком, когда щипчики для бровей стали в некоторых странах обычным делом.

Римские или ранневизантийская пинцет из бронзы.

В третьем веке до нашей эры греческий инженер Ктесибий из Александрии изобрел способ производства «эластичной бронзы» за счет увеличения доли олова в медном сплаве. Бронза сначала отливалась, а затем упрочнялась ударами молотка. Он предпринял попытку с помощью комбинации рессор управлять военной катапультой, но катапульта получалась недостаточно мощной.

Во втором веке до нашей эры Филон Византийский, также конструктор катапульт, изготовил похожий механизм с большим успехом.

Навесные замки широко использовались в древней Римской Империи, и по крайней мере в одном типе замков использовались изогнутые металлические листовые пластины, чтобы удерживать устройство закрытым, пока листы сжаты ключами.

В Римский период для метания снарядов использовались упругие вогнутые плиты (пример плоских пружин).

Интересен проект Леонардо да Винчи, датируемый около 1485 года, по производству гигантского арбалет для использования при осадах. Стоит упомянуть также и миниатюрный арбалет из стали, изобретенный испанскими маврами в XV веке, который можно было легко спрятать даже в рукаве.

Леонардо да Винчи, рисунок пружинного устройства.

Леонардо да Винчи был описан пружинный двигатель с винтовой передачей. Тип пружин, разработанный Леонардо для этого двигателя, широко используется до сих пор, сейчас его называют «спиральная пружина Архимеда».

В Китае были изобретены пружинные замки, в которых использовались плоские пружины. Их укрепляли на конце запирающей дужки. Когда дужку вставляли в корпус, пружины, пройдя сквозь узкое отверстие, расходились внутри замка, и вытащить наружу их уже было нельзя. Дужка выталкивалась только ключом. Такие замки находят при раскопках также в Персии, Индии, Египте. На Руси такие замки появились в Х веке. С XVIII века их стали вывозить за границу, где они получили название уже русских замков.

Другое существенное событие в истории пружин произошло в Средние века. Пила, разработанная Вилларом де Оннекуром около 1250 года, под воздействием водяного колеса, толкала лезвие пилы в одном направлении, одновременно изгибая жердь, на обратном ходе пилы жердь разгибалась в свое первоначальное состояние и в итоге тянула лезвие пилы обратно.

В начале пятнадцатого века были разработаны пружины новой формы – спиральные пружины, которые начали использовать, как источник энергии в наручных часах. Заменив гири, которые обычно использовались в часах, на пружинный механизм, часовые мастера сконструировали надежное портативное устройство хронометража. Такое устройство позволяло, в том числе, вести точную навигацию кораблей далеко в океане.

В 1676 году английский физик Роберт Гук сформулировал закон, лежащий в основе принципа пружинных механизмов. Согласно известному сегодня закону Гука деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т.п.), пропорциональна приложенному к этому телу усилию.

На колесо баланса в механизме механических часов также распространяется закон Гука. Так как крутящий момент спиральной пружины пропорционален углу поворота колеса, колебания пружины имеют почти постоянный период.

Спиральная пружина в балансе карманных часов была впервые предложена Саломоном Костером в 1673 году.

Экспериментальная установка Гука.

В восемнадцатом веке индустриальная революция подстегнула развитие технологий массового производства изготовления пружин. С возникновением паровых машин и транспорта, пружины стали производить из металлов и их сплавов давлением, то есть кузнечным способом. Усовершенствование машинного производства требовало изготовления различных по форме пружин: витых, спиральных, фасонных. Большая потребность в пружинах вызвала необходимость создания специальных станков для их производства – пружинонавивочных, отличающихся большой производительностью при относительно высокой точности изготовления.

В течение восьмидесятых годов восемнадцатого века британский слесарь Джозеф Брама на своей фабрике использовал машину для навивки пружин. Станок, будучи адаптацией токарного станка, держал катушку с проволокой вместо режущей головки. Проволока с катушки накручивалась на стержень, закрепленный на станке. Скорость главного винта, который держал катушку параллельно вращающемуся стержню, можно было регулировать, меняя тем самым расстояние между витками.

В 1616 году Фаусто Варенцио, автор книг о машинах, привел изображение повозки на рессорах. Всего через 50 лет стальных рессоры нашли широкое применение.

Рессоры XVIII века (музей Лиссабона)

В настоящее время важнейшими элементами большинства конструкций являются упругие элементы – пружины, рессоры, торсионные валы, мембраны и т.п. Пружина – упругий элемент, предназначенный для передачи упруго-поступательного (вращательного) движения узлам и механизмам, а также, для гашения колебаний металлоконструкций и оборудования (виброопоры). Во многих случаях именно упругие элементы определяют надежность и долговечность работы сложных и ответственных устройств, приборов и машин в целом. Этим объясняется рост требований, предъявляемых к упругим элементам по точности их рабочих характеристик, по надежности и долговечности их службы в разных условиях работы.

Механизмы кресел

Простейший механизм кресла, одевающийся на газ-патрон и позволяющий перемещать кресло вверх-вниз

Механизм отклонения спинки

Соединенный с пиастрой механиз, позволяющий быстро регулировать угол наклона спинки

Пружинный механизм поддержки спины

Пружинный механизм постоянной поддержки спины – обеспечивает постоянную поддержку спины пользователя. Спинка автоматически копирует движения пользователя. При давлении она отклоняется, а при уменьшении давления возвращается в исходное положение. Таким образом спинка пребывает в непрерывном контакте со спиной пользователя, обеспечивая ему постоянную комфортную поддержку. В данном случае сидение остаётся неподвижным. Жёсткость давления спинки регулируется, что предоставляет возможность использования данного кресла людям с разным весом.

Под пластиковым «набалдашником» находится пружина. И при закручивании она сокращается, придавая жесткость наклону спинки, либо наоборот делая наклон более легким.

Перманент контакт

Перманент контакт служит для соединения спинки и сиденья кресла, позволяет изменять наклон, высоту спинки и глубину сидения кресла в соответствии требованиями пользователя.

Механизм качания “Топ-ган”

Самый простой и дешевый элемент качания, используемый на руководительских креслах эконом класса. Предназначен для настройки свободного качания, фиксации в одном положении (вертикально), регулировки силы отклонения под вес сидящего, что дает возможность подобрать положение во время работы. Предназначен для кресел, у которых спинка жестко соединена с сиденьем.

Асинхронный механизм качания

Угол наклона спинки и сиденья изменяется независимо друг от друга, спинка и сиденье повторяют движения тела сидящего, обеспечивая ему оптимальную поддержку только в тех местах, где это требуется.

Синхронный механизм качания

Это синхронный механизм, при качании которого сиденье и спинка одновременно меняют свое положение относительно друг друга в соотношении как правило 3:1. Конструкция механизма полностью исключает возможность опрокидывания кресла.

Синхромеханизм решает сразу несколько основных эргономических задач по обеспечению комфорта и сохранению здоровья при длительной сидячей работе:

• позволяет пользователю кресла свободно менять положение тела,
• предотвращает нефизиологичные позы и движения при любом типе работы,
• обеспечивает постоянную поддержку спины,
• обеспечивает постоянную опору на пол,
• выполняет функцию качания.

Механизм качания мультиблок

Мультиблок – механизм качания повышенной комфортности со смещенной осью. Обеспечивает свободное качание, регулировку силы отклонения и возможность фиксации сидения и спинки в четырех позициях. «Антишок-эффект» предохраняет сидящего от неожиданного «опрокидывания» или удара спинкой при снятии блокировки механизма.

Приводные механизмы часов: часы с пружинным приводом

Пружинный привод, который стали применять в часовом ремесле в XV и XVI вв., открыл путь к всестороннему использованию механических часов. Этот вид привода до сих пор преобладает у массовых часов, но в последнее время он постепенно вытесняется иными источниками энергии в электрических и электронных часах.

Пружинный привод механизма возник вне области часового дела. Уже в средние века кузнецы и слесари изготовляли подвижные фигурки. Пожалуй, самым старым примером их может быть железный петух, установленный на первых башенных часах в 1354 г. в Страсбурге. Возрождение принесло повышенный интерес к полуавтоматическим приборам и, конечно, побудило тогдашних часовщиков заняться идеей использования стальной пружины для привода часового механизма. В некоторых литературных источниках говорится о том, что первые пружинные часы появились примерно около 1430 г. К этому времени относятся сообщения о часах, изготовленных Пьерром Ломбартом из Монза и Еганом Паулином из Брюгге для герцога Филиппа III Доброго, о которых мы уже упоминали.

Пружины часов XVI в. нельзя ни в какой степени сравнивать с современными пружинами, изготовляемыми из катаной стали с содержанием углерода чуть более 1%, и с пружинами из специальных сплавов с добавками кобальта, хрома, никеля и т.п. Высокие нагрузки материала сопровождаются у каждой пружины стойкими деформациями, которые влияют на точность хода часов. В отличие от грузов (гирь) здесь приводная сила пружины изменяется также с изменением числа ее витков. Приводная сила после резкого начального падения через несколько часов хода начинает понижаться медленнее и более равномерно, за исключением короткого периода перед тем, как часы останавливаются из-за того, что приводная сила снова начинает быстро понижаться. Эта характеристика относится главным образом к пружинам, изготовляемым в настоящее время. У старых часов кривая приводной силы была еще менее равномерной, поскольку качество и обработка стали были тогда значительно хуже. И, кроме того, сравнительно грубая поверхность пружины, всаженной в неподвижный держатель пружины (барабан), вызывала большое трение и понижала эффективность пружины. Поэтому простейшие старые пружинные часы и не могли обходиться без вспомогательного механизма для выравнивания приводной силы.

Рис. 1. Компенсатор силы заводной пружины «улитка»:
1 – барабан пружины, 2 – завиток, 3 – струна (цепочка), 4 – пружина завитка, 5 – рычаг завитка, 6 – палец завитка.

Самым распространенным компенсатором приводной силы пружины была так называемая «улитка» (рис. 1), размещаемая между барабаном пружины и часовым механизмом. Сила привода барабана пружины переносилась на улитку струной из овечьих кишок или тонкой плоской металлической цепочкой, состоящей из многих склепанных звеньев. При заведенной пружине струна обматывала все витки завитка и при разматывании наматывалась на гладкий барабан держателя пружины. Радиус отматывания на улитке постепенно увеличивался по мере уменьшающейся силы пружины, так что конечная приводная сила оставалась примерно одинаковой. Изготовление цепочек к улиткам относилось к самым тонким профессиональным операциям у часовщиков и зачастую поручалось только женщинам. Одна такая цепочка имела от 500 до 800 звеньев. Однако в целом между струнным и цепочечным стабилизаторами не было существенного различия. Вначале струнные стабилизаторы старого типа имели закругленные пазы на завитке, а у цепочечных компенсаторов профиль паза был граненым. Изобретение улитки приписывалось многим часовщикам, в том числе, явно несправедливо, и Якубу Цеху, по всей вероятности, первому чешскому производителю портативных пружинных часов. Однако эта идея безусловно более стара, мы с ней встречаемся, например, у нюрнбергского часовщика Петра Генлейна. По форме улитки можно также приближенно определить возраст тех или иных часов. Ранние конструкции XVI и XVII вв. имели стройные высокие улитки, а по мере уменьшения толщины часового механизма в целом становилась более плоской и улитка и возрастал угол вершины ее конуса. Формы улиток зависели также от качества тогдашних пружин. Пружины дешевых часов XVIII в. не отличались высоким качеством, их приводная сила подвергалась значительным изменениям, и для компенсации этой силы требовалась плоская улитка с большим сужением.

Стабилизаторы силы привода в виде улитки можно найти в старых часах французского, английского и немецкого происхождения. Вероятно, несколько старше другой стабилизатор в виде особого кулачка, который встречается иногда у некоторых немецких карманных и настольных часов. Для компенсации приводной силы здесь достаточна сравнительно малая сила плоской пружины, прижимающей тормозной палец к окружности плоского кулачка, насаженного на вал барабана пружины (здесь тормозной момент действует против приводного момента пружины). Форма кулачка подбиралась так, чтобы равнодействующая приводная сила была постоянной. По сравнению с улиткой кулачок занимал меньше места, а поэтому его применяли прежде всего для карманных часов. Однако в целом он не слишком привился и был вытеснен улиткой и для плоских часов, где она удерживалась примерно до конца XVIII и начала XIX в., когда заканчивавшаяся эра «шпиндлевок» сменялась новыми типами часов с современными спусковыми механизмами. У этих часов с анкерными спусковыми механизмами стабилизаторы силы привода быстро отпадали, они сохранились лишь у морских хронометров.

Однако на работу самой совершенной пружины постоянно влияют некоторые факторы, например потери от трения между витками, которые теперь понижаются путем полирования поверхности пружины и смазкой. Ослабление приводной силы, вызываемое усталостью материала, существенно уменьшали тем, что делали пружины из нержавеющей стали или из особых сплавов. Однако, несмотря на это, каждая пружина в ходе своего разматывания изменяет свою приводную силу. Для устранения этого недостатка применяли несколько способов.

Самый старый способ исходил из стремления исключить в работе пружины ее начальную и конечную фазу, поскольку приводная сила пружины резко падает именно при полной заводке и при окончании завода. Для карманных часов использовали в целях ограничения рабочего диапазона пружины кулачковый механизм. На практике встречались различные кулачковые механизмы, самым известным из которых является мальтийский механизм, далее идут кольцевидные кулачковые механизмы, или же пальцевые. Кулачковые механизмы должны были ограничить натяжение и разматывание пружины до нескольких оборотов вала держателя пружины (как правило, до четырех). Как и улитка, кулачковый механизм сохранился до сих пор лишь в конструкции морских хронометров. При доза-водке цепочка наматывается на последние суженные витки компенсатора до того момента, когда боковая сторона цепочки нажимает на кулачок кулачкового механизма и ставит его на пути пальца на завитке. Кулачковый механизм одновременно сохраняет от разрыва не только саму пружину, но и филигранную цепочку или струну.

У малых карманных часов роль кулачкового механизма позднее взяла на себя реверсивная защелка, которая обеспечивает малое обратное движение пружины и связанное с этим ослабление ее натяжения. Кулачковый механизм и реверсивная защелка защищали пружину от перетяжки. Реверсивная защелка, правда, исключает перетяжку пружины и использование быстро уменьшающейся приводной силы при полностью заведенной пружине, но не мешает тому, чтобы пружина дошла до конца и вызывала замедление хода в последние часы. Этому можно воспрепятствовать только ежедневной регулярной заводкой пружины в одно и то же время, чтобы пружина могла развиваться лишь в оптимальный период своей приводной силы.

Изменчивость приводной силы можно также ограничивать удлинением пружины и увеличением запаса ее энергии. Однако удлинение пружины идет за счет ее толщины. Для тонких пружин требуются также специальные сплавы, лучше выдерживающие нагрузку и усталость. Приводная сила современных пружин несравненно выше, чем у пружин старых часов. Исключительно благоприятные особенности современных пружинных сталей с высоким пределом упругости и особой технологией производства привели к созданию так называемых S-пружин (названных так по их форме в развернутом состоянии), – которые имеют повышенный срок службы и более равномерную приводную силу.

Сравнение гиревого и пружинного механизмов

Источником энергии для механических часов является так называемый двигатель. В современной часовой промышленности различают два типа двигателей: гиревой и пружинный. Особенностью гиревого двигателя является то, что устанавливается он исключительно в напольных и настенных механизмах, т.е. стационарных, не приспособленных для ношения на руках.

Гиревые устройства отличаются большими габаритами и если это не новодел, представляют высокую историческую ценность, относясь к категории антиквариата. При ремонте и восстановлении это требует особо щепетильного подхода.

Основным преимуществом гиревого двигателя является его высокая точность, уровень которой просто недоступен пружинному механизму. С другой стороны пружинные двигатели куда более компактны и могут устанавливаться в мобильных часах. Если у вас есть наручные механические часы, будьте уверены, в них установлен именно пружинный механизм.

Гиревые механизмы были распространены в старину. Принцип действия двигателя основан на использовании силы тяжести гирь, тогда как в пружинных механизмах – на силе сжатия пружины. Движение гиревых часов осуществляется за счет расхода потенциальной энергии подъема гири (из школьного курса физики – E=mgh, где m – масса гири, g – ускорение свободного падения, равное 9,81 метра на квадрат секунды, h – высота подъема над уровнем пола).

Высокая точность работы гиревого двигателя обусловлена тем, что при каждой итерации спуска гири величина момента, передаваемого на стрелку, остается постоянной. В то же время точность хода пружинного механизма напрямую зависит от силы натяжения пружины (а также ее размера), которая со временем разгружается (за исключением часов с самоподзаводом, если их носить не снимая с руки).

Срок работы гиревого механизма напрямую зависит от высоты подъема гири и среднего радиуса звездочки, а также ее частоты вращения. Полным заводом называется максимально доступная высота подъемы гири. В этом случае часы могут работать до 26 часов, не останавливаясь.

Время работы пружинного механизма между двумя подзаводами, как правило, составляет 24—36 часов. Современные наручные механические часы могут работать до 48 часов. Часы с автоподзаводом при достаточной продолжительности их ношения мало уступают в точности своим гиревым коллегам. Но для этого 8 часов совершенно недостаточно.

Конструкции гиревых двигателей однообразны и в своей основе не менялись веками, в то время как пружинных существует превеликое множество.

Пружинный механизм

Независимо от действующей технологии основной операцией при заготовке трав на сено остается скашивание. Его следует проводить в оптимальные сжатые агротехнические сроки, что требует применения надежных и высокопроизводительных машин. Для этих целей наиболее эффективна роторная (ротационная) навесная косилка КРН-2,1, выпускаемая с различными модификациями механизма подъема и уравновешивания, а также с некоторыми видоизменениями режущей части. Косилка должна обеспечивать ровный, одинаковый по высоте срез — до 6 см для естественных и до 8 см для сеяных трав (отклонение высоты среза на всей длине режущего аппарата ± 0,5 см). Потери от повышенного среза и несрезанных растений допускаются не более 2 %.

Однако при работе кормоуборочных машин наблюдается снижение надежности и качества выполнения технологического процесса:

• повышение высоты среза из-за некачественного копирования рельефа поля и снижение выхода скошенной массы,
• сминание комлевой части многолетних трав, повреждение корневой части растений и, как следствие, снижение последующего урожая многолетних трав (вследствие превышения нагрузки на почву со стороны копирующих башмаков),
• сгруживание почвы режущим брусом, что в свою очередь приводит к увеличению нагрузки на привод и износа ножей (из-за значительной нагрузки на копирующие башмаки и превышения ее допустимого значения),
• загрязнение убираемой массы частичками почвы.

С целью устранения причин указанных недостатков проведены исследования пружинного механизма подвески и уравновешивания (МП) режущего бруса косилки. На рис. 1 и 2 представлены упругие характеристики двух вариантов МП, а также усовершенствованного варианта для внешнего и внутреннего копирующих башмаков, полученные экспериментальным путем на натурных образцах.

Анализируя характеристики внешнего башмака, отметим, что усилие, передаваемое им на почву, постоянно возрастает в диапазоне 550—1020 Н. Поэтому данный вариант МП нельзя считать оптимальным, так как его давление на почву превышает допустимое агротехническими требованиями.

Для внешнего башмака КРН-2,1М общий характер изменения давления на почву (см. рис. 1) аналогичен (390—850 Н), что также не позволяет считать его конструкцию совершенной.

Очевидно, превышение усилия воздействия на почву со стороны копирующих башмаков и служит причиной сминания, сгруживания и перемешивания скошенной массы с частичками почвы. Чтобы избежать отрицательного влияния указанных недостатков, трактористу необходимо корректировать усилие с помощью гидронавесной системы, что несколько снижает наблюдаемый эффект, но повышает утомляемость оператора (к концу смены качество работы становится ниже, чем вначале).

На основе теории синтеза пружинных механизмов и программного обеспечения для ПЭВМ* установлено, что упругие характеристики описанных МП могут быть улучшены. В связи с этим проведен синтез рациональных параметров усовершенствованного варианта МП (рис. 3). При модернизации точка крепления пружин МП для обоих вариантов была перенесена, что достаточно хорошо видно на рисунке. Это позволило максимально снизить влияние изменения натяжения пружин каждого МП друг на друга (что происходит в известных конструкциях).

Упругая характеристика усовершенствованного варианта МП по усилию воздействия на почву более мягкая: подтверждение тому — диапазон усилий 400—490 Н. По результатам замеров перепад нагрузки в известных конструкциях составляет 470 Н (КРН-2ДА) и 460 Н (КРН-2,1М), а в усовершенствованной — менее 90 Н.

Результаты исследования изменения усилия на внутренний копирующий башмак для всех рассматриваемых вариантов косилок приведены на рис. 2. Анализ показывает, что внутренний и внешний копирующие башмаки оказывают различное давление на почву. В рассматриваемой рабочей зоне нагрузка на внутренний башмак КРН-2,1А выше, чем на внешний. Это обстоятельство, на наш взгляд, можно объяснить конструкционно-кинематическими параметрами пружинных МП, предназначенных для уравновешивания усилий разных башмаков, что обусловлено кинематическим влиянием МП друг на друга.

Для КРН-2ДА нагрузка на башмаки колеблется от 220 до 2450 Н, для КРН-2ДМ – от 1400 до 2670 Н, а для усовершенствованного — от 405 до 500 Н.

Сравнение башмаков по перепаду усилий показывает, что в известных МП он в несколько раз выше, чем в усовершенствованном. В начале подъема режущего бруса для обоих копирующих башмаков наблюдается интенсивное увеличение усилия, а по мере дальнейшего подъема интенсивность падает. В усовершенствованном варианте МП перепад усилия для внешнего и внутреннего башмаков примерно одинаков (90, 95 Н), а интенсивность изменения усилия во всей исследуемой зоне стабильна. Указанные свойства положительно сказываются на работе машины в полевых условиях.

Высокая максимальная нагрузка на внутренний башмак (особенно перепад по мере подъема или опускания режущего бруса) — основная причина снижения как качественных показателей, так и технологической надежности косилок КРН-2ДА и КРН-2ДМ. На наш взгляд, именно из-за взаимовлияния уравновешивающих МП в этих конструкциях проблема стабилизации давления копирующих башмаков на почву остается неразрешенной. Кроме того, в связи с разным давлением на копирующие башмаки в зависимости от неровностей почвы режущий аппарат “зависает” над ее поверхностью и высота среза увеличивается, снижая выход скошенной массы. А вследствие превышения допустимой по агротехническим требованиям нагрузки на режущий аппарат иногда наблюдается сгруживание почвы перед ним. Это приводит не только к загрязнению скошенной массы частичками почвы, но и к увеличенному износу ножей и повышению нагрузки как на привод, так и на навесную систему трактора.

Устранение этих недостатков стало возможным благодаря изменению схемы подвески, исключению влияния разных МП друг на друга (рис. 3), а также синтезу параметров по новой теории. По полученным параметрам изготовлен экспериментальный образец косилки, где взамен штатных пружин использованы пружины от зерноуборочного комбайна, так как штатные пружины самой косилки не удовлетворяли по допустимому удлинению при копировании рельефа поля.

Отличие заключается в том, что каждый пружинный блок позволяет изменять нагрузку только на внешний или внутренний башмак. Для этого один конец блока пружин, уравновешивающего внутренний башмак, присоединен к подрамнику, а второй — к раме. Блок пружин, уравновешивающий внешний башмак, связан с поворотной частью режущего бруса и с подрамником.

Благодаря указанным усовершенствованиям облегчен перевод режущего бруса в транспортное и рабочее положение, что подтвердили результаты сравнительных испытаний. Повысились качественные показатели работы косилки и ее технологическая надежность. Устранено смятие почвы копирующими башмаками и режущим брусом. Выход скошенной массы в пересчете на 1 га убранной площади возрос на 7—9 % за счет лучшего копирования режущим брусом поверхности поля. Снизилось общее время простоев агрегата. В связи с отсутствием контакта режущих ножей с почвой повысился их ресурс и снизилась вероятность поломок. Отпала необходимость в коррекции положения гидронавесной системы трактора. Стабильность давления копирующих башмаков обеспечивает ровный, одинаковый по высоте срез и положительно влияет на условия труда оператора.

* Белов В. В. Теоретические основы анализа и синтеза пружинных механизмов: Монография. — СПб.: СП6ГАУ, 2005.