Пружины: как они накапливают энергию и возвращают форму

---

Пружина — устройство, меняющее свою форму под действием внешней силы, возвращающееся к исходной форме при снятии силы. Энергия, затраченная на деформацию пружины, накапливается в ней и может быть восстановлена при возврате пружины к исходной форме. Обычно величина изменения формы прямо пропорциональна приложенной силе. Если приложена слишком большая сила, однако, пружина необратимо деформируется и никогда не вернётся к исходной форме.

Основы

Существует несколько типов пружин. Один из самых распространённых состоит из провода, намотанного в цилиндрическую или коническую форму. Растяжная пружина — спиральная пружина, витки которой обычно касаются друг друга; при приложении силы для растяжения пружины витки разделяются. В противоположность, сжатая пружина — спиральная пружина с зазором между последовательными витками; когда сила применяется для сокращения пружины, витки сближаются. Третий тип спиральной пружины, называемый крутильной пружиной, спроектирован так, что приложенная сила скручивает катушку в более плотную спираль. Обычные примеры крутильных пружин — в папках и бабочковых заколках для волос.

Ещё одна вариация спиральных пружин — часовой пружина, намотанная в плоскую спираль, а не в цилиндр или конус. Один конец пружины в центре спирали, другой — на внешнем краю.

Некоторые пружины изготавливаются без витков. Наиболее распространённый пример — листовая пружина, имеющая форму неглубокой дуги; обычно используется для автомобильных подвесок. Другой тип — дисковая пружина, шайбообразное устройство в форме усечённого конуса. Полые цилиндры из твёрдого эластичного материала также могут выступать пружинами. Неспиральные пружины обычно функционируют как сжатые пружины.

История

Очень простые неспиральные пружины использовались на протяжении истории. Даже эластичная ветка дерева может служить пружиной. Более изысканные пружинные устройства датируются бронзовым веком, когда пинцеты для бровей были распространены в нескольких культурах. В третьем веке до н.э. греческий инженер Цтезибий Александрийский разработал процесс для изготовления «пружинистой бронзы» увеличением доли олова в медном сплаве, отливкой детали и закалкой молотковыми ударами. Он попытался использовать комбинацию листовых пружин для управления военным катапультом, но они не были достаточно мощными. Во втором веке до н.э. Филон Византийский, другой инженер катапульт, построил похожее устройство, видимо, с некоторым успехом. Замки с пружинами широко использовались в древнеримской империи, и по крайней мере один тип использовал изогнутые металлические листья для удержания устройств закрытыми до сжатия листьев ключами.

Следующий значимый этап в истории пружин пришелся на Средние века. Пиловая машина, придуманная Вильяром де Оннекуром около 1250 года, использовала водяное колесо для толкания пильного полотна в одном направлении, одновременно гнуя шест; когда шест возвращался в негнутое состояние, он тянул полотно в противоположном направлении.

Спиральные пружины развились в начале XV века. Заменяя систему грузов, обычно приводящую часы, заведённым пружинным механизмом, часники Схема намотки пружины ЧПУ-станком. смогли создавать надёжные, портативные хронометры. Этот прорыв сделал возможной точную небесную навигацию для океанских судов.

В XVIII веке промышленная революция стимулировала развитие массово-производственных техник для пружин. В 1780-х британский мастер-замковщик Джозеф Брама использовал пружинно-намотной станок на своём заводе. Видимо, адаптация токарного станка, машина носила катушку провода вместо режущей головы. Провод с катушки навивался на стержень, закреплённый в токарном станке. Скорость ведущего винта, несущего катушку параллельно вращающемуся стержню, могла регулироваться для изменения шага витков пружины.

Обычные примеры современного использования пружин варьируют от крошечных витков, поддерживающих клавиши на сенсорных панелях мобильных телефонов, до огромных витков, поддерживающих целые здания и защищающих их от сейсмических вибраций.

Сырьё

Стальные сплавы — наиболее распространённые материалы пружин. Наиболее популярные сплавы включают высокоуглеродистые (такие как музыкальная проволока для гитарных струн), масляно-закаленные низкоуглеродистые, хром кремний, хром ванадий и нержавеющую сталь.

Другие металлы, иногда используемые для пружин — бериллиево-медный сплав, фосфорная бронза и титан. Резина или уретан могут использоваться для цилиндрических неспиральных пружин. Керамический материал разработан для спиральных пружин в очень высокотемпературных средах. Однопосочные стекловолоконные композиты тестируют для возможного использования в пружинах.

Дизайн

Различные математические уравнения разработаны для описания свойств пружин, основанные на таких факторах, как состав и размер проволоки, диаметр катушки пружины, число витков и ожидаемая внешняя сила. Эти уравнения включены в компьютерное ПО для упрощения процесса проектирования.

Производственный процесс

Следующее описание фокусируется на производстве стально-сплавных спиральных пружин.

Намотка

• 1 Холодная намотка. Проволока до 0,75 дюйма (18 мм) в диаметре может быть намотана при комнатной температуре одной из двух базовых техник. Одна состоит в намотке проволоки вокруг вала, называемого арбором или мандралем. Это может делаться на специализированном пружинно-намотном станке, токарном станке, электрической ручной дрели с мандралем в патроне, или намотном станке с ручным приводом. Направляющий механизм, такой как ведущий винт на токарном станке, должен использоваться для выравнивания проволоки в желаемом шаге (расстояние между последовательными витками) по мере намотки на мандраль.

  Альтернативно, проволоку могут намотать без мандраля. Это обычно делают на станке с ЧПУ. Примеры разных типов пружин. Проволоку толкают вперёд над опорным блоком к канавке в головке, отвлекающей провод, заставляя его гнуться. Головка и опорный блок могут двигаться относительно друг друга до в пяти направлениях для контроля диаметра и шага формируемой пружины.

  Для растяжных или крутильных пружин концы гнут в желаемые петли, крюки или прямые секции после завершения намотки.

• 2 Горячая намотка. Толще провод или пруток могут быть намотаны в пружины, если металл нагреть для гибкости. Стандартные промышленные намотные станки обрабатывают стальной пруток до 3 дюймов (75 мм) в диаметре, а кастомные пружины reportedly делали из прутков до 6 дюймов (150 мм) толщины. Сталь навивают на мандраль в краснораскалённом состоянии. Затем немедленно извлекают из намотного станка и опускают в масло для быстрого охлаждения и закалки. На этом этапе сталь слишком хрупка для функции пружины, и её необходимо последующее отпускание.

Закалка

• 3 Термическая обработка. Будь сталь намотана горячо или холодно, процесс создал напряжение в материале. Для снятия этого напряжения и допуска стали сохранять свою характеристическую упругость, пружину должны отпустить термической обработкой. Пружину нагревают в печи, держат при соответствующей температуре заданное время, затем позволяют медленно остыть. Например, пружина из музыкальной проволоки нагревают до 500°F (260°C) на один час.

Финишная обработка

• 4 Шлифовка. Если дизайн требует плоских концов на пружине, концы шлифуют на этом этапе. Пружину закрепляют в приспособлении для обеспечения правильной ориентации при шлифовке, и держат против вращающегося абразивного круга до достижения желаемой степени ровности. При высокоавтоматизированном оборудовании пружину держат в втулке, пока оба конца шлифуют одновременно, сначала грубыми, затем точильными кругами. Подходящая жидкость (вода или масло-базированное вещество) может использоваться для охлаждения пружины, смазки шлифовального круга и уноса частиц при шлифовке.
• 5 Дробёная закалка (shot peening). Этот процесс усиливает сталь для сопротивления металлической усталости и трещинам за время жизни повторных изгибов. Вся поверхность пружины подвергают бомбардировке крошечными стальными шариками, заглаживающими её и сжимающими сталь непосредственно под поверхностью.
• 6 Установка (setting). Для постоянной фиксации желаемой длины и шага пружины, её полностью сжимают так, что все витки касаются друг друга. Некоторые производители повторяют этот процесс несколько раз.

• 7 Покрытие. Для предотвращения коррозии вся поверхность пружины защищают покраской, погружением в жидкую резину или напылением другим металлом, таким как цинк или хром. Один процесс, называемый механическим напылением, включает барабанную обработку пружины в контейнере с металлическим порошком, водой, ускорителями химических реакций и крошечными стеклянными шариками, вбивающими металлический порошок на поверхность пружины.

  Альтернативно, в гальваническом напылении, пружину погружают в электрически проводную жидкость, которая будет корродировать напыляемый металл, но не пружину. Отрицательный электрический заряд приложен к пружине. Также в жидкости находится запас напыляемого металла, и ему дан положительный заряд. По мере растворения напыляемого металла в жидкости, он выделяет положительно заряженные ионы, притягиваемые к отрицательно заряженной пружине, где они химически связываются. Гальваническое напыление делает углеродистые стальные пружины хрупкими, поэтому вскоре после напыления (менее четырёх часов) их должны выпекать при 325-375°F (160-190°C) в течение четырёх часов для противодействия стеклообразованию.

• 8 Упаковка. Желаемые количества пружин могут просто упаковываться в коробки или полиэтиленовые пакеты. Однако другие формы упаковки разработаны для минимизации повреждений или запутывания пружин. Например, их могут индивидуально упаковывать в пакеты, нанизывать на провода или стержни, заключать в трубки или приклеивать к липкой бумаге.

Контроль качества

Различные тестовые устройства используют для проверки готовых пружин на соответствие спецификациям. Тестовые устройства измеряют такие свойства, как твёрдость металла и величина деформации пружины под известной силой. Пружины, не соответствующие спецификациям, утилизируют. Статистический анализ тестовых результатов может помочь производителям выявить производственные проблемы и улучшить процессы для меньшего количества бракованных пружин.

Приблизительно одна третья бракованных пружин результатом производственных проблем. Остальные две трети вызваны недостатками проволоки, использованной для формирования пружин. В 1998 году исследователи сообщили о разработке теста накатываемости проволоки (названного FRACMAT), который мог отсеять неадекватную проволоку до производства пружин.

ЧПУ-намотные станки улучшают качество двумя способами. Во-первых, они контролируют диаметр и шаг пружины точнее, чем ручные операции. Во-вторых, через использование пьезоэлектрических материалов, размер которых варьируется с электрическим входом, ЧПУ-намотные головки могут точно регулироваться в реальном времени по измерениям характеристик пружины. В результате эти интеллектуальные станки производят меньше пружин, которые должны быть отбракованы за несоответствие спецификациям.

Будущее

Требования быстрорастущих компьютерных и мобильных промышленностей толкают производителей пружин к разработке надёжных, экономичных техник для изготовления очень малых пружин. Пружины, поддерживающие клавиши на тачпадах и клавиатурах, важны, но есть менее очевидные применения. Например, производитель тестового оборудования для полупроводникового производства разработал микропружинную контактную технологию. Тысячи крошечных пружин, всего 40 мил (0,040 дюйма или 1 мм) высотой, приклеены к отдельным контактным точкам полупроводникового вейфера. Когда этот вейфер прижимают к тестовому прибору, пружины сжимаются, устанавливая высоконадёжные электрические контакты.

Медицинские устройства также используют очень малые пружины. Спиральная пружина разработана для использования во вставочном конце катетера или эндоскопа. Из проволоки 0,0012 дюйма (30 микрометров или 0,030 мм) в диаметре, пружина толщиной 0,0036 дюйма (0,092 мм) — примерно как человеческий волос. Японская компания, разработавшая эту пружину, пытается сделать её ещё меньше.

Конечная миниатюризация, достигнутая на данный момент, выполнена в 1997 году австрийским химиком Бернардом Краутлером. Он построил молекулярную пружину, соединив 12 атомов углерода в цепь и прикрепив молекулу витамина B12 к каждому концу цепи через кобальтовый атом. В расслабленном состоянии цепь имеет зигзагообразную форму; когда её смачивают водой, однако, она плотно сворачивается. Добавление циклодекстрина заставляет цепь вернуться в расслабленное состояние. Практического применения этой пружины пока не найдено, но исследования продолжаются.