Пружины

В сцеплениях применяют цилиндрические, конические или диафрагменные пружины, изготовляемые из легированных и углеродистых сталей марок 65Г, 50ХФА , 60С2Ф и 85.

Витые цилиндрические пружины. Для исключения перекоса нажимного диска при выключении сцепления их число должно быть кратно числу рычагов выключения сцепления и составляет 8…20.

Расчетвитых цилиндрических пружин выполняют на кручение в следующей последовательности [7]:

1. Расчетное усилие на одну пружину при включенном сцеплении

Рр = P∑ / nпр , (7.1)

где nпр – число пружин.

При выборе числа пружин необходимо учитывать, что расчетное усилие на одну пружину Рр не должно превышать 800 Н.

2. Диаметр проволоки, мм,

где с = 4, 6, 8, 12 – индекс пружины; к = (4с + 2) / (4с – 3) – коэффициент, учитывающий кривизну витков пружины; [τ]к = 750 МПа – допускаемое напряжение кручения в витках пружины.

Расчетное значение диаметра d проволоки округляют по ряду нормальных линейных размеров R20.

3. Средний диаметр пружины, мм,

Dо = с d.

4. Осадка одного витка пружины под действием расчетной нагрузки, мм,

8 Рр Dо³

ƒ2 = ────── ,

G d⁴

где G = 8 ∙ 10⁴ МПа – модуль упругости второго рода для стали.

5. Необходимое число рабочих витков пружины (определяется при условии, что при выключении сцепления расчетное усилие на пружину возрастает в 1,2 раза) n = S / 0,2ƒ2 ,

где S – отвод нажимного диска при выключении сцепления. S = 2…3 мм – для однодисковых сцеплений (меньшее значение для сцеплений с жесткими в осевом направлении ведомыми дисками, большее – с податливыми дисками). S = 4 мм – для двухдисковых сцеплений.

6. Полное число витков пружины n1 = n + (1,5…2).

7. Жесткость пружины, Н/мм,

Рр G d⁴

спр = ─── = ───── .

ƒ2 n 8 Dо³ n

8. Высота пружины в рабочем состоянии (при включенном сцеплении)

Н2 = (d + δ) n + S,

где δ = 1…2 мм – зазор между витками пружины при выключенном сцеплении.

9. Высота пружины в свободном состоянии Н0 = Н2 + ƒ2 n.

Цилиндрические нажимные пружины имеют линейную характеристику упругости, представляющую зависимость деформации от усилия нажатия (см. рисунок 5.5). Они могут располагаться по двум концентрическим окружностям (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Цилиндрические пружины, установленные по двум концентрическим окружностям

Рисунок 7.6 – Составные цилиндрические пружины, установленные одна внутри другой

Составные витые цилиндрические пружины используются в конструкциях, имеющих ограниченные габаритные размеры, а также воспринимающих большие нагрузки. Они располагаются парами одна внутри другой (рисунок 7.6) и для устранения закручивания торцевых опор и перекосов имеют навивку в противоположные стороны. Нагрузка воспринимается одновременно всеми пружинами и распределяется пропорционально их жесткости.

При расчете составных пружин исходят из следующих условий:

- составные пружины должны иметь одинаковые индексы с = с1 = с2 и напряжения кручения τк = τк1 = τк2 при выключенном сцеплении;

- общее усилие комплекта (пары) составных пружин при выключенном сцеплении (Рр' ≈ 1,2 Рр) должно быть равно сумме усилий наружных Р1' и внутренних Р2' пружин Рр' = Р1' + Р2';

- между витками составных пружин должен быть радиальный зазор Δ = 0,5 (d1 – d2), позволяющий пружинам свободно деформироваться.

8 Р1' к с 8 Р2' к с

Из условия τк = τк1 = τк2 = ───── = ───── , имеем

π d1² π d2²

Р2' = Р1' d2² / d1² . (7.2)

С учетом того, что Δ = 0,5(d1 – d2) и 2Δ = (Dо1 – d1) – (Dо2 + d2), можно записать d1 – d2 = (Dо1 – d1) – (Dо2 + d2).

Отсюда Dо1 – 2d1 = Dо2, или сd1 – 2d1 = сd2.

В результате d2 / d1 = (с – 2) / с, и равенство (7.2) принимает вид

Р2' = Р1' (с – 2)² / с².

Общая сила, создаваемая комплектом составных пружин при выключенном сцеплении,

(с – 2)²

Рр' = Р1' [1 + ────] ,

с²

откуда следует, что

Рр' с²

Р1' = ─────── .

с² + (с – 2)²

Аналогично находится расчетная сила на наружную пружину

Рр с²

Р1 = ────────

с² + (с – 2)²

и определяется расчетная сила на внутреннюю пружину

Р2 = Рр – Р1.

По силе Р1 производится расчет наружной пружины, затем устанавливают для внутренней пружины средний диаметр Dо2 и диаметр d2 проволоки из соотношений:

Dо2 = Dо1 – 2d1; d2 = Dо2 / с.

Далее по силе Р2 определяются остальные параметры внутренней пружины.

Конические нажимные пружины. Во фрикционных сцеплениях с центральной конической нажимной пружиной обычно используются пружины с прямоугольным сечением витков (рисунок 7.7), бóльшая сторона которых располагается вдоль оси пружины. От длины пружины зависит осевой размер сцепления.

Основные параметры центральной конической пружины определяются по следующим формулам:

Рисунок 7.7 – Коническая пружина

нажимное усилие

4 G b⁴ ƒ

Рр = ─────────────;

δ n (D + d) (D² + d²)

жесткость пружины

Рр 4 G b⁴ ƒ

спр = ─── = ─────────────;

ƒ δ n (D + d) (D² + d²)

напряжение в пружине

Рр D

[τ]к = ─────,

2 γ а b²

где G = 8 ∙ 10⁴ МПа – модуль упругости второго рода для стали; D – диаметр наибольшего витка пружины; d – диаметр наименьшего витка пружины; а – ширина сечения витка; b – высота сечения витка (вдоль оси пружины); ƒ – деформация пружины; n – число рабочих витков; δ и γ – коэффициенты, значения которых зависят от отношения а / b (приведены в таблице 7.1).

Допускаемое напряжение кручения в витках пружины [τ]к = 700…900 МПа.

Таблица 7.1 – Зависимость δ и γ от отношения а / b

Рисунок 7.8 – Характеристика упругости конической пружины

Характеристика упругости конической нажимной пружины приведена на рисунке 7.8. На нем видно, что при сжатии пружины силой Р1 (прогиб ƒ1), меньшей силы Р2 (прогиб ƒ2) , при которой начинается посадка витков, характеристика упругости – линейная. После начала посадки витков (выключения их из работы) ее жесткость увеличивается и характеристика становится нелинейной.

Диафрагменные нажимные пружины. Применение диафрагменной пружины существенно упрощает конструкцию сцепления, уменьшает его габаритные размеры и массу, так как выполняет одновременно функции нажимной пружины и рычагов выключения сцепления. Она обеспечивает равномерное распределение усилия на нажимной диск, а упругость ее лепестков (рычагов выключения) – плавность включения сцепления. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя центробежные силы не искажают ее характеристику упругости. Кроме того, при выключении сцепления усилие пружины снижается, что облегчает управление сцеплением.

Во фрикционных сцеплениях для уменьшения жесткости используются диафрагменные пружины с радиальными прорезями. Образованные таким образом лепестки и являются рычагами выключения сцепления.

Диафрагменная пружина в свободном состоянии имеет форму конуса. Различают пружины вдавливаемого (прямая установка пружины) и вытяжного (обратная установка пружины) типов, когда усилие на нажимной диск передается по наружному или внутреннему диаметру неразрезанной части конуса, соответственно.

Пружина 1 вдавливаемого типа (рисунок 7.9, а) зажата почти в полностью распрямленном состоянии между двумя опорными кольцами 7, закрепленными ступенчатыми штифтами 8, расклепанными на кожухе. Наружным краем пружина опирается на выступ нажимного диска и благодаря своей упругости прижимает его к маховику с необходимым усилием. При выключении сцепления муфта выключения через выжимной подшипник воздействует на лепестки диафрагменной пружины, вдавливая их.

А) б)

Рис. 7.9. Диафрагменные сцепления:

а – с установкой пружины вдавливаемого типа:

1 – диафрагменная пружина; 2 – нажимной диск; 3 – кожух; 4 – выжимной подшипник; 5 – маховик двигателя; 6 – ведомый диск; 7 – опорные кольца; 8 – ступенчатый штифт;

б – с установкой пружины вытяжного типа:

1 – нажимной диск; 2 – кожух; 3 – муфта выключения сцепления с выжимным подшипником; 4 – диафрагменная пружина; 5 – ведомый диск

Пружина 4 вытяжного типа (рисунок 7.9, б) зажата между кожухом 2 и муфтой 3 выключения сцепления. Она опирается на выступ нажимного диска внутренним краем неразрезанной части конуса. При выключении сцепления муфта выключения воздействует на лепестки диафрагменной пружины через фланец, соединенный с внутренней обоймой выжимного подшипника, вытягивая их.

Расчет пружины может быть выполнен следующим методом [7]. Основные размеры диафрагменной пружины приведены на рисунке 7.10, где Р∑ и Рп – силы, действующие на нажимной диск и подшипник выключения сцепления, соответственно.

Исходные данные для расчета:

1. Сила, создаваемая пружиной при включенном положении сцепления,

Р1 = Р∑ + Ро ,

где Ро – суммарная сила, создаваемая соединительными упругими пластинами,

Ро = (0,05…0,08) Р∑ .

Рисунок 7.10 – Расчетная схема диафрагменной пружины

2. Рабочий ход пружины

hр = (2∆н + ω) zд ,

где ∆н – зазор для новых накладок между поверхностями трения при полностью выключенном сцеплении, ∆н = 0,75…1,0 мм – в однодисковых и 0,5…0,6 мм – в двухдисковых сцеплениях; ω – осевая деформация ведомого диска, ω = 0,15…0,25 мм – для жесткого ведомого диска и 1,0…1,5 мм – для ведомого диска с осевой податливостью; zд – число ведомых дисков.

3. Ход пружины hо, соответствующий допустимому суммарному линейному износу пар фрикционных накладок, hо = 3…4 мм – для легковых и 4…8 мм – для грузовых автомобилей. Для двухдисковых сцеплений грузовых автомобилей hо = 8…16 мм.

4. Материал пружины и допускаемое напряжение изгиба [σ]и ≈ σт .

В существующих конструкциях диафрагменных пружин имеют место следующие соотношения: D ≥ 2,5d1; D = (1,15…1,5)d; δ = 2...5 мм; h = (1,6…2,2)δ; D = (75…100)δ; α = 10…15⁰; nл = 8…20 – число лепестков пружины.

Выбрав размеры пружины в указанных пределах, по выражению (7.3) рассчитывается и строится характеристика упругости пружины, т.е. зависимость силы Рпр, действующей на нажимной диск, от его перемещения ƒ:

2 π Е δ ƒ 1 – m1 1 – m1

Рпр = ──────────── ∙ln (1 / m1)∙[δ² + (h – ƒ ────) (h – 0,5ƒ ────)]

3(1– μ²) D² (1 – m2)² 1 – m2 1 – m2

где Е = 2,1∙10⁵ МПа – модуль упругости первого рода; μ – коэффициент Пуассона (μ = 0,26 для пружинных сталей); Dс ≈ d + (D – d) / 5 – геометрическое место точек, относительно которых происходит поворот поперечного сечения пружины вдавливаемого типа; m1 = d / D; m2 = Dс / D.

Выбирая параметры пружины, необходимо учитывать, что при суммарном износе фрикционных накладок на величину hо усилие сжатия, создаваемое пружиной, должно быть не меньше Р1, а при рабочем ходе hр – меньше Р1.

Далее пружину проверяют на прочность по изгибу. Наибольшие напряжения в пружине возникают в момент выключения сцепления со стороны ее малого торца в середине основания лепестков (точка В на рисунке 7.10), когда пружина выпрямляется (становится плоской).

2 Рпр max (D – Dс) d 0,5Е 0,5(b – d) a² + δ a

σи = ──────────── + ─── ─────────── ≤ [σ]и=σт (7.4)

(Dс – d1) δ² (d1 + d) 1– μ² d

где Рпр max – максимальная сила, действующая на нажимной диск (определяется по характеристике упругости пружины); b = (D – d) / ln (D / d); а = 2h / (D – d).

В приложении 4 приведен пример выбора параметров диафрагменной пружины вдавливаемого типа для однодискового сцепления автомобиля КамАЗ-4310 (6х6).

Для расчета выжимного подшипника и определения его осевого перемещения необходимо знать силуРп, прикладываемую к лепесткам пружины со стороны подшипника при выключении сцепления, и перемещение лепестков пружины.

У пружины вдавливаемого типа для обеспечения отвода нажимного диска на величину S концы лепестков должны переместиться на величину Sп (см. рисунок 7.10). Это перемещение, главным образом, вызвано изменением угла наклона α конуса пружины, тогда

Sп = S (Dс – d1) / (D – Dс). (7.5)

При этом усилие

Рп = Рр (D – Dс) / (Dс – d1), (7.6)

где Рр = Р1 – сила, создаваемая пружиной при включенном положении сцепления (см. рисунок П.4).

У пружины вытяжного типа

Sп = S (D – d1) / (D – d); Рп = Рр (D – d) / (D – d1). (7.7)

Из анализа выражений (7.5) – (7.7) следует, что при установке пружины вытяжного типа по сравнению с пружиной вдавливаемого типа уменьшается усилие Рп на выжимной подшипник при выключении сцепления и увеличивается его ход Sп.

Сцепления с диафрагменной пружиной вытяжного типа имеют ряд преимуществ по сравнению со сцеплениями с пружиной вдавливаемого типа:

- на 17…40 % меньшее усилие на педали управления сцеплением;

- меньшую массу и более высокую жесткость кожуха;

- лучшее охлаждение деталей, так как кожух сцепления более открытый.

Недостатком же является некоторое усложнение конструкции муфты выключения сцепления.