Jazyk 
Existují šest primárních typů pružin používá se napříč průmyslovými a spotřebními produkty: tlačné pružiny, tažné pružiny, torzní pružiny, pružiny s konstantní silou, vlnové pružiny a talířové (Belleville) pružiny. Každý je definován tím, jak ukládá a uvolňuje mechanickou energii – stlačenou, nataženou, zkroucenou, otočenou, zploštělou nebo naskládanou. Správná volba závisí na směru zatížení, dostupném prostoru a počtu pracovních cyklů, které musí součást přežít, a téměř všechny se dnes formují na počítačem řízeném pružinový stroj spíše než ručně.
Kategorie, do které pružina spadá, je ve skutečnosti zkratka pro mechanické chování. Tlačná pružina tlačí zpět. Prodlužovací pružina se táhne zpět. Torzní pružina odolává kroucení. Jakmile je toto chování opraveno, vše ostatní – průměr drátu, počet cívek, geometrie zakončení a materiál – je laděním pro dosažení cílového zatížení, průhybu a životnosti.
Tato příručka podrobně rozebírá každý typ pružiny, materiály za nimi, jak moderní pružinový stroj tvaruje každou z nich, jak inženýři dimenzují pružinu pro skutečný případ zatížení, kde se každý typ projevuje v různých odvětvích, běžná místa selhání, povrchová úprava a ochrana proti korozi a jak porovnávat nabídky při získávání výrobních množství.
Tlačné pružiny jsou pružiny s otevřeným závitem navržené tak, aby odolávaly stlačovací síle a při stlačení se zatlačily zpět. Jsou nejběžnějším typem pružin v mechanických sestavách, objevují se v matracích, kuličkových perech, ventilech, závěsných systémech a průmyslových lisovnicích. Když zátěž tlačí cívky k sobě, pružina ukládá energii a po uvolnění zátěže se tlačí zpět podél stejné osy.
Vzhledem k tomu, že cívky jsou v klidu od sebe, může být tlačná pružina stlačena, dokud se cívky nedotknou – stav nazývaný pevná výška. Dobrá konstrukce udržuje pružinu v dostatečné vzdálenosti od pevné výšky v normálním provozu, protože opakované vytahování ztvrdne drát v místě kontaktu a zkracuje únavovou životnost. Většina technických pokynů udržuje pracovní výchylku na zhruba 80 procentech nebo méně z celkového dostupného zdvihu do pevné výšky, což ponechává bezpečnostní rezervu pro případy přejetí.
Tlačné pružiny jsou také definovány tím, jak jsou zakončeny koncové závity. Hladké konce nechávají drát řezaný pod úhlem odpovídajícím šroubovici, což se rychle vyrábí, ale pod zatížením se pružina mírně houpe. Čtvercové konce jsou broušeny nebo lisovány naplocho, takže pružina stojí vzpřímeně na rovném povrchu bez překlápění, a hranaté a broušené konce to posouvají ještě o krok dále tím, že koncovou cívku vybrousí dokonale naplocho, což je běžné všude tam, kde pružina potřebuje rovnoměrně dosedat na plochou desku, jako například u ventilových sestav.
Produkční stupeň pružinový stroj vytváří tlačné pružiny podáváním drátu přes sadu podávacích válečků a jeho ovinutím kolem trnu nebo tvarovacího kolíku, poté oddělovací nástroj oddělí každou cívku v naprogramované délce. CNC řízené stroje dokážou udržet tolerance stoupání dostatečně pevné, aby udržely kolísání tuhosti pružiny pod zhruba 3 procenty v průběhu výroby, což je důležité pro díly, kde je kritická stálá síla, jako jsou ventilové pružiny. Velkoobjemová vedení tlačných pružin obvykle spárují navíjecí hlavu s inline brusnou stanicí, takže hranaté konce mohou být dokončeny bez samostatné sekundární operace.
Prodlužovací pružiny jsou pevně vinuté závity, které odolávají tažné síle a po uvolnění se snaží vrátit na svou původní délku. Na rozdíl od tlačných pružin sedí jejich závity v klidu blízko u sebe – obvykle se zabudovaným počátečním napětím – takže pružina se začne natahovat až poté, co použitá síla překročí toto předpětí. Mechanismy garážových vrat, trampolíny, síťová vrata a přepínače – to vše závisí na tažných pružinách.
Počáteční napětí je jednou z více nepochopených vlastností tažné pružiny. Protože jsou cívky během tvarování navinuty těsně proti sobě, pružina odolává jakémukoli tahu, dokud aplikovaná síla nepřekročí zabudované napětí – teprve potom se začne natahovat úměrně přidané zátěži. Konstruktéři specifikují toto počáteční napětí záměrně, protože příliš malé umožňuje prověšení pružiny v klidu, zatímco příliš velké způsobuje, že je mechanismus na začátku své dráhy tuhý.
Většina konstrukčních prací v tažné pružině se odehrává na koncích, nikoli na těle cívky. Strojové háky, křížové smyčky, boční smyčky a prodloužená oka každý mění způsob upevnění pružiny a koncentraci napětí v ohybu. Protože ohyb háku je obvykle místem, kde začíná únavové selhání, je geometrie háku často omezujícím faktorem životnosti pružiny spíše než cívka samotná.
Na moderním pružinovém stroji se tvarování háčků provádí ve stejném cyklu jako navíjení: poté, co navíjecí nástroj navine tělo, sekundární nástroj se otočí a ohne konec drátu do tvaru háku před odříznutím. To udržuje vyrovnání háku konzistentní, což je jedna z častějších stížností na kvalitu, když jsou tažné pružiny tvarovány ručně. Konzistentní úhel háku také záleží na tom, jak pružina visí ve své montážní konzole – zkroucený hák může způsobit nežádoucí boční zatížení, pro které tělo cívky nebylo nikdy navrženo.
Torzní pružiny ukládají energii, když se otáčí kolem své osy, spíše než aby byly podél ní tlačeny nebo taženy. Tělo cívky odolává úhlovému přemístění a rovné nohy na každém konci přenášejí tuto rotační sílu do sestavy. Typickými příklady jsou kolíčky na prádlo, pasti na myši, protizávaží garážových vrat a panty na dveřích skříněk.
Na rozdíl od tlačných a tažných pružin je torzní pružina téměř vždy navržena tak, aby pracovala s mírným zmenšením průměru vinutí, jak se navíjí pod zatížením. To znamená, že hřídel nebo trn, na kterém sedí, musí být dimenzován s vůlí pro toto zmenšení, jinak se cívky spojí s hřídelí dříve, než pružina dosáhne svého zamýšleného pohybu – což je detail, který mnohé začínající konstruktéry zaskočí.
| Funkce torzní pružiny | Designový efekt |
|---|---|
| Směr cívky (doleva nebo doprava) | Musí odpovídat směru, kterým se má pružina navíjet pod zatížením, jinak se cívky místo utažení rozvinou |
| Konfigurace nohou | Rovné, sklopné nebo šikmé nohy určují, jak se točivý moment přenáší do okolní sestavy |
| Počet aktivních cívek | Více cívek obecně snižuje točivý moment a zvyšuje dostupný rotační zdvih |
| Styl těla (těsné vs. rozmístěné) | Těsně vinuté cívky snižují třecí hluk mezi cívkami; rozmístěné cívky snižují možnost vázání při velkém zatížení |
Kromě příkladů pro domácnost se torzní pružiny objevují ve vyvažovacích mechanismech pro těžké stropní dveře, vratné pružiny v sestavách ráčny a západky, zavírače pantů na skříních a krytech a upínacích mechanismech, kde je zapotřebí lehká, konzistentní rotační síla k udržení dvou částí pohromadě bez samostatného upevňovacího prvku.
Torzní pružiny jsou obvykle tvarovány na CNC pružinovém stroji vybaveném otočnou hlavou pro ohýbání nohou, protože přesnost úhlu nohou přímo ovlivňuje, jak pružina sedí ve svých montážních otvorech. Noha, která je vypnutá i o několik stupňů, může způsobit nekonzistenci předpětí na montážní lince, a proto je úhel nohy jedním z prvních rozměrů kontrolovaných při vstupní kontrole na novém nastavení nástrojů.
Pružiny Belleville jsou podložky ve tvaru kužele, které se při axiálním zatížení zplošťují. Jejich stohování do série zvyšuje pojezd, zatímco paralelní stohování zvyšuje nosnost, což je činí užitečnými všude tam, kde konstruktér potřebuje specifickou křivku síly ve velmi krátkém axiálním prostoru – běžné příklady jsou šroubované přírubové sestavy a těžké stroje. Užitečnou vlastností talířových pružin je to, že jejich silová křivka může být vyladěna výškou kužele vzhledem k jejich tloušťce: mělký kužel poskytuje téměř lineární silovou odezvu, zatímco vyšší kužel lze vyladit tak, aby vytvořil plochou nebo dokonce prolomenou silovou křivku, což je užitečné u mechanismů uvolnění přetížení.
Vlnové pružiny používají zvlněný prstencový tvar namísto vinutí z kulatého drátu, přičemž dodávají stejnou pružinovou sílu jako vinutá pružina ve zhruba třetině až polovině stlačené výšky. Předpětí ložisek a aplikace malých elektronických konektorů upřednostňují vlnové pružiny, když je axiální prostor omezený. Typicky se vyrábějí v jednootáčkových, víceotáčkových a vnořených variantách s víceotáčkovými vlnovými pružinami běžně používanými tam, kde je k dispozici vyšší pracovní výška, ale radiální prostor je stále těsný.
Pružina s konstantní silou, válcovaná z předpjatého plochého pásu spíše než z kulatého drátu, dodává téměř stejnou výstupní sílu v celém svém rozsahu prodloužení namísto rostoucí křivky síly. Na toto chování spoléhají zatahovací svinovací metry, vyvažovací mechanismy a kabelové cívky. Vzhledem k tomu, že pás je v klidu navíjen na sebe v těsném svitku a při zatížení se odvíjí, zůstává výstupní síla pozoruhodně plochá ve srovnání se stále rostoucím odporem vinuté pružiny.
Plynové pružiny jsou úplně jiná kategorie — utěsněný válec se stlačeným plynem a pístnicí, který se používá tam, kde je potřeba kontrolované, tlumené prodloužení, jako jsou vzpěry poklopů automobilů a nastavitelné kancelářské židle. Jsou vyráběny na hydraulickém plnicím zařízení spíše než na drátotvorném pružinovém stroji.
Dva méně obvyklé, ale stále relevantní typy uzavírají speciální kategorii. Spirálové pružiny jsou ploché pásy navinuté do kuželového tvaru a fungují jako tlačná pružina s vynikající odolností proti vybočení, historicky používaná v závěsech těžkých vozidel. Hadovité pružiny jsou tvořeny souvislým klikatým kulatým drátem a byly kdysi běžné v čalouněných sedadlech a byly ceněny pro rovnoměrné rozložení zátěže po široké sedací části spíše než pro její soustředění do několika bodů.
Typ vyráběné pružiny obvykle určuje, která slitina drátu má smysl, a každá slitina se po průchodu pružinovým strojem chová jinak.
Dva rozměry dominují chování pružiny více než kterákoli jiná jednotlivá proměnná: průměr drátu a index pružiny, poměr průměru cívky k průměru drátu. Tlustší drát prudce zvyšuje tuhost, protože rychlost pružiny se mění se čtvrtou mocninou průměru drátu, zatímco nízký index pružiny (těsná cívka vzhledem k drátu) zvyšuje koncentraci napětí na vnitřní straně každé cívky a ztěžuje přesné tvarování pružiny. Většina praktických konstrukcí udržuje index pružiny mezi zhruba 4 a 12; pružiny navinuté pevněji než to vyžadují zvláštní péči při obrábění a korekci napětí, zatímco pružiny navinuté volněji než ty mají tendenci se snadněji zamotávat a vyboulit.
CNC pružinový stroj mění svou rychlost navíjení, rychlost posuvu drátu a tlak tvarovacího kolíku v závislosti na naložené slitině, protože tvrdší drát potřebuje větší tvarovací sílu, ale po uvolnění nástroje pruží zpět, což se nazývá elastické zotavení. Stroje postavené pro velkoobjemovou výrobu obvykle kompenzují toto zotavení automaticky přetvářením každé cívky o vypočítanou rezervu, což je jeden z důvodů, proč automatizované navíjení do značné míry nahradilo ruční formování na stolici pro cokoliv, co přesahuje prototypová množství. Moderní servomotory řízené pružinové stroje zaznamenávají tato kompenzační data na dávku, což značně usnadňuje reprodukci přesné geometrie cívky při příštím spuštění stejné šarže drátu.
Výběr typu pružiny je pouze prvním krokem. Velikost jedné pro skutečnou aplikaci obvykle spočívá ve třech souvisejících cílech: rychlost pružiny (jaká síla se změní na jednotku průhybu), maximální bezpečné namáhání při plné deformaci a počet cyklů, které pružina potřebuje, aby přežila, než se únava stane problémem.
Míra pružiny popisuje, jak tuhá pružina působí – dodatečná síla potřebná pro každou další jednotku průhybu. U spirálové pružiny rychlost stoupá s průměrem drátu a klesá s průměrem spirály nebo počtem aktivních spirál. Dvě pružiny mohou vypadat téměř identicky a stále mají velmi rozdílné hodnoty, pokud má jedna o něco větší průměr závitu nebo dvě aktivnější závity než druhá, a proto je třeba specifikovat a zkontrolovat počet pružin, nejen fyzické rozměry.
Pružiny, které se příležitostně cyklují, jako je západková pružina otevřená několikrát denně, mohou být navrženy s velkou rezervou namáhání a pravděpodobně přežijí produkt kolem nich. Pružiny, které nepřetržitě cyklují, jako je ventilová pružina vystřelující tisíckrát za minutu, musí být navrženy podle křivky únavy spíše než podle jedné maximální hodnoty napětí, protože opakované zatížení hluboko pod konečnou pevností materiálu může nakonec způsobit iniciaci a růst trhliny. Přibližně, udržení špičkového provozního napětí pod zhruba 45 až 50 procenty pevnosti v tahu drátu je běžným výchozím bodem pro pružiny, u kterých se očekává, že přežijí miliony cyklů, ačkoli správný počet vždy závisí na konkrétní slitině a povrchové úpravě.
Shot peening je nejrozšířenější úprava pro prodloužení únavové životnosti tlačných a torzních pružin. Vypalování malých kulatých médií na povrch drátu zavádí mělkou vrstvu zbytkového napětí v tlaku, které odolává tahovému napětí, které by jinak vyvolalo únavovou trhlinu na povrchu. U pružin vystavených vysokému cyklu a vysokému namáhání – klasickým příkladem jsou automobilové ventilové pružiny – může otryskávání výrazně prodloužit životnost ve srovnání s neoloupanou pružinou stejných rozměrů.
Moderní CNC pružinový stroj přemění cívku surového drátu na hotovou, tepelně zpracovanou pružinu v sekvenci koordinovaných kroků, všechny řízené pomocí naprogramovaného servopohybu spíše než pomocí mechanických vaček u starších zařízení.
Starší navíjecí stroje poháněné vačkou spoléhají na fyzické vačky a mechanické dorazy pro řízení stoupání a délky, což znamená, že změna konstrukce pružiny vyžaduje výměnu fyzických nástrojů. CNC pružinový stroj nahrazuje většinu těchto mechanických vaček nezávisle naprogramovanými servoosami, takže přepínání mezi konstrukcemi pružin – včetně zcela odlišných typů, jako je přechod z chodu tlačné pružiny na chod torzní pružiny – je z velké části spíše záležitostí nahrání nového programu a seřízení nástrojů než přestavby stroje. Tato flexibilita je jedním z hlavních důvodů, proč se malé a středněobjemové jarní běhy v posledních dvou desetiletích staly mnohem efektivnějšími z hlediska nákladů.
| Průmysl | Typické typy pružin | Proč ten typ |
|---|---|---|
| Automobilový průmysl | Komprese, torze, disk | Aplikace s vysokocyklovými ventily a spojkami vyžadují obroušené tlačné pružiny; talířové pružiny zvládají vysoké zatížení v krátkém axiálním prostoru |
| Nábytek a spotřebiče | Komprese, extenze, konstantní síla | Mechanismy sklápění a posuvy zásuvek potřebují konzistentní sílu se středním cyklem s plochým nebo pozvolným stoupáním |
| Elektronika a konektory | Vlna, malá komprese | Omezená vnitřní vůle upřednostňuje nízkoprofilové vlnité pružiny pro kontaktní předpětí |
| Zemědělství a těžká technika | Komprese, torze | Pružiny s velkým průměrem a velkým průměrem musí vydržet rázové zatížení venku, což upřednostňuje povlaky odolné proti korozi |
| Lékařská zařízení | Komprese, prodloužení, torze (miniaturní) | Nerezový drát je upřednostňován kvůli čistitelnosti, s úzkými tolerancemi pro velmi malé průměry drátu |
Výběr materiálu pružiny zvládá většinu odolnosti proti korozi, ale povlaky a povrchové úpravy přidávají další vrstvu ochrany a mohou také změnit vzhled pružiny a třecí vlastnosti.
Na tloušťce povlaku záleží více, než by se mohlo zdát u pružin s malou tolerancí, protože i tenká vrstva plátování mírně mění efektivní průměr drátu a může posunout tuhost pružiny u velmi malých pružin. U pružin s úzkými tolerancemi rychlosti se testování obvykle provádí po nátěru spíše než před ním, takže uváděné hodnoty odrážejí díl tak, jak bude skutečně instalován.
Nerovnoměrné rozmístění cívek obvykle vede k drátu, který nebyl před navíjením zcela narovnán, opotřebovaným podávacím válečkům klouzajícím po povrchu drátu nebo nástroji pro rozteč, který se vychýlil z kalibrace. Na CNC pružinovém stroji je to často zachyceno brzy prostřednictvím měření rozteče inline zabudovaného do samotné navíjecí stanice.
Většina únavových trhlin začíná na povrchové vadě – škrábanci, důlku od koroze nebo koncentraci napětí v ohybu nebo háku – spíše než uprostřed hladké cívky. Zlepšení povrchové úpravy, přidání brokovnice nebo přepracování ostrého poloměru háku jsou obvyklé opravy, jakmile je identifikován vzor únavového selhání.
Trvalé nastavení popisuje pružinu, která se po vychýlení již nevrátí do své původní volné délky, obvykle proto, že byla namáhána nad mez pružnosti materiálu – často opakovaným stlačováním do plné výšky nebo provozem při vyšší teplotě, než pro kterou byla slitina drátu dimenzována. Správné odlehčení pnutí po navinutí snižuje riziko tuhnutí tím, že uvolňuje zbytková tvářecí napětí dříve, než pružina zažije svůj první pracovní cyklus.
Hrstka proměnných má tendenci řídit většinu cenového rozdílu mezi jarními nabídkami, nezávisle na tom, jaký typ se vyrábí.
Při porovnávání cenových nabídek mezi dodavateli pomáhá konkrétně se ptát, jak se ověřuje zatížení a rychlost – většina renomovaných výrobců testuje vzorek z každé výrobní šarže na testeru síly a posuvu, místo aby se spoléhali pouze na kontrolu rozměrů, protože dvě pružiny mohou měřit identicky a přesto fungovat odlišně, pokud se tvrdost drátu mezi šaržemi drátu mírně liší.
Nejrychlejší způsob, jak zúžit typ pružiny, je zeptat se, kterým směrem působí síla a kolik axiálního prostoru je k dispozici:
Tlačné pružiny jsou nejrozšířenějším typem, protože přímočará tlačná síla pokrývá největší podíl mechanických a spotřebitelských aplikací, od per až po jádra matrací.
Tlačná pružina odolává stlačení a její závity jsou v klidu odděleny, zatímco tažná pružina odolává natahování a její závity sedí těsně u sebe v klidu, obvykle se zahnutými nebo smyčkovými konci pro montáž.
Ano. Většina moderních CNC pružinových strojů je přeprogramována spíše než mechanicky přestavěna tak, aby přepínala mezi kompresí, prodloužením a torzním tvářením, protože rozdíl spočívá ve změnách nástrojů a aktualizovaných parametrech navíjení, stoupání a ohýbání v řídicím softwaru.
Ohyby soustřeďují napětí mnohem více než hladce navinutá cívka, takže háky na tažných pružinách a nohy na torzních pružinách jsou obvykle prvním bodem selhání při opakovaném cyklování, a proto geometrie háčků a nohou získává tolik pozornosti jako samotná cívka.
Ve většině případů dodatečné montáže ano – vlnová pružina může dodat srovnatelnou sílu jako spirálová tlačná pružina, přičemž zabírá zhruba třetinu až polovinu stlačené výšky, proto jsou běžné u konstrukcí s omezeným prostorem a konektorů.
Index pružiny je poměr průměru cívky k průměru drátu. Nízký index znamená pevně stočenou pružinu s vyšší koncentrací napětí na vnitřním okraji vinutí, zatímco vysoký index znamená volně stočenou pružinu, která se snadněji tvaruje, ale je náchylnější k vyboulení a zamotání – většina praktických návrhů zůstává ve středním rozsahu, aby byla zajištěna rovnováha mezi vyrobitelností a výkonem.
Ano, pro pružiny, které vykazují vysoké namáhání a vysokocyklové zatížení. Zbytkové napětí v tlaku na povrchu drátu odolává tahovému napětí, které iniciuje únavové trhliny, a proto je brokování standardní praxí pro náročné aplikace, jako jsou automobilové ventilové pružiny, i když přidává sekundární procesní krok.
Tvrdost drátu a průměr se mohou mezi šaržemi frézy mírně lišit, dokonce i v rámci akceptovaného tolerančního rozsahu, což je důvod, proč konzistentní výrobci testují vzorek z každé šarže na testeru síly a posuvu, místo aby předpokládali, že samotná rozměrová shoda zaručuje konzistentní zatížení a rychlost.
TK-13200, TK-7230 TK-13200、 TK-7230 12AXES CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnosti
TK-13200, TK-7230 TK-13200、 TK-7230 12AXES CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnosti
TK12120 TK-12120 12OSÝ CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnosti
TK-6160 TK-6160 CNC PRUŽINOVÝ STROJ ...
Zobrazit podrobnosti
TK-6120 TK-6120 CNC PRUŽINOVÝ STROJ ...
Zobrazit podrobnosti
TK-5200 TK-5200 5AXES CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnosti
TK-5160 TK-5160 5OSÝ CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnosti
TK-5120 TK-5120 5AXES CNC STROJ NA NAVÍJENÍ PRUŽIN ...
Zobrazit podrobnostiMobilní QR kód
