Czym jest sprężyna

Sprężyna – to element podatny, używany w budowie maszyn  najczęściej w kształcie spiralnego zwoju. Sprężyna wykonana jest zazwyczaj z materiału sprężystego (np. stali sprężynowej). Materiał taki pozwala magazynować energię mechaniczną (bez zamieniania jej w uplastycznienie materiału – jak byłoby w przypadku materiałów plastycznych) w trakcie odkształcenia aby oddać ją w trakcie powrotu do swojej pierwotnej formy.

Główne zastosowania sprężyn to:

Przywracanie pozycji wyjściowej układów. Na przykład w siłownikach pneumatycznych lub hydraulicznych, gdzie sprężyna pomaga powrócić do stanu początkowego po zakończeniu działania.

Zastosowania regulacyjne – stosowane w systemach bezpieczeństwa, np. zawory bezpieczeństwa wyposażone w sprężynę regulacyjną lub w sprzęgłach.

Najczęściej używaną normą dla sprężyn są DIN 2098 oraz DIN 2095 

Techniki wykonywania sprężyn

Sprężyny zazwyczaj wytwarzane są z prętów o przekroju okrągłym lub prostokątnym, które poddaje się procesowi zawijania wokół osi. Taki sposób produkcji pozwala uzyskać elementy o odpowiednich właściwościach sprężystych, dostosowanych do przewidzainych zastosowań, takich jak amortyzatory. Przekrój pręta, średnica zawijania oraz kąt i i jego charakterystyka (np. zmienny kąt zawinięcia sprężyny) jest dobierany w zależności od wymagań technicznych oraz specyfiki pracy sprężyny.

• Wykonywanie sprężyny dla sprężyny wykonanej z pręta o niedużym przekroju (d≤8-10mm)
• • Sprężyny wykonuje się poprzez wyginanie lub zwijanie na zimno
  • Sprężyny dodatkowo poddaje się procesowi odpuszczania w oleju lub kąpieli solnej (T 230-320*C) dla usunięcia naprężeń własnych

• Wykonywanie sprężyny dla sprężyny wykonanej z pręta o większym przekroju i dla sprężyn odpowiedzialnych o niedużym przekroju
  • Sprężyny wykonuje się poprzez wyginanie lub zwijanie na gorąco (800-1000*C)
  • Sprężyny dodatkowo poddaje się procesowi hartowania i niskiego odpuszczanie,

Obróbka końcowa wytwarzania sprężyn

Obróbka końcowa  ma zapewnić ochronę przed korozją i zwiększenie wytrzymałości elementów – zazwyczaj zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej. 

Kulkowanie – to proces polegający na ostrzeliwaniu drobnymi kulkami lub piaskiem z wodą sprężyn w celu powierzchniowego utwardzenia materiału. Powoduje duży wzrost wytrzymałości zmęczeniowej (50-100%), przy niewielkim (niezauważalnym) wzroście wytrzymałości statycznej.

Szlifowanie i polerowanie – polega na wygładzaniu powierzchni w celu uniknięcia wysokiej chropowatości powierzchni, co może powodować karby i lokalne spiętrzenia naprężeń na powierzchni. W przypadku obciążeń cyklicznych, wytrzymałość zmęczeniowa po polerowaniu i szlifowaniu również wzrasta. 

Przeprężenie – polega na obciążeniu sprężyny powyżej granicy plastyczności, przez ok. 48h lub obciążenia udarowe (1500-2000 razy), przez parę minut. Obciążone wewnętrzne włókna materiału mają odkształcenia trwałe i generują naprężenia o przeciwnym znaku do naprężenia wywołanego obciążeniem roboczym. Generuje wzrost wytrzymałości statycznej o ok. 20-30%

Dla ochrony przed korozją przeprowadza się:  Fosforyzowanie, cynowanie, natłuszczanie, oksydyzowanie, lakierowanie 

Materiały stosowane na sprężyny

Materiały przeznaczone na sprężyny dobiera się tak, aby miały możliwie wysoką wytrzymałość statyczną i zmęczeniową. Dodatkowo ważnym kryterium wyboru materiału na sprężyny jest Moduł Younga bezpośrednio wpływający na sztywność sprężyny

Stale niesprężynowe konstrukcyjne

• Stale o wysokiej zawartości węgla 
  • Z dodatkiem Mn, Si, Cr, V, Mo, W
  • Stal hartowana 
  • Niskoodpuszczana

Stale sprężynowe

Zazwyczaj stale sprężynowe mają znacznie wyższą ceną w porównaniu do standardowych stali konstrukcyjnych. Ich koszt może być nawet kilkukrotnie większy, co wynika z zastosowania bardziej zaawansowanych technologii produkcji, wyższej jakości surowców, właściwości takich jak zwiększona wytrzymałość, odporność na korozję czy lepsze parametry mechaniczne. 

• Dla niezbyt dużych przekrojów (d lub h≤10mm)
  • Stal węglowa 0,6-0,9%C
  • Druty sprężynowe ok. 1%C
• Dla Odpowiedzialnych sprężyn z d≥7mm
• Stale stopowe
  • Manganowe
  • Krzemowo-manganowe 
  • Krzemowe 
• Stale chromowe
  • Z dodatkiem Si, Mn,V
  • Krzemowo-wolframowa 

Materiały na sprężyny do pracy w ośrodkach korozyjnych

• Stopy miedzi
  • Brąz krzemowy
  • Fosforowy 
  • Berylowy 
• Stale nierdzewne 
• Stopy niklu 

Materiały do pracy w środkach chemicznych

• Niewrażliwe tworzywa sztuczne 

Sztywność sprężyny – Współczynnik sztywności

Sztywność sprężyny lub inaczej nazywany Współczynnik Sztywności C(czasami k) –  [N/m] lub [Nm/rad] dla sztywności skrętnej – jest stosunkiem przyrostu odkształcenia f [m] do przyrostu obciążenia siłą P [N], czyli jest siłą jaką trzeba przyłożyć aby uzyskać określone przemieszczenie, lub stosunkiem przyrostu odkształcenia φ [°] [rad] do przyrostu obciążenia momentem skręcającym Ms/Mst [Nm]. Parametr nazywany jest także stałą sprężyny i oznaczany literą R [N/m] . W sprężynach ściskanych o pręcie skręcanym sztywność określa opór jaki stawia sprężyna w momencie ściskania. Im większą ma wartość tym więcej oporu stawia na dane odkształcenie.

Różne sprężyny mają różne charakterystyki w zależności od geometrii. Sprężyna śrubowa walcowa naciskowa o okrągłym pręcie skręcanym ma liniową charakterystykę sztywności, tzn. Stała sprężyny jest niezmienna od defleksji. 

Współczynnik C jest zatem pochodną poniższego wykresu siły od odkształcenia sprężyny. 

Gdzie :

1/C – podatność sprężyny – określa jaką deformację otrzymamy przy przyłożeniu określonej siły.

Rozróżniamy w takim przypadku sprężyny

Miękkie – mała sztywność – mała wartość C

Twadre – duża sztywność  – duża wartość C

O niestałej sztywności

1. Wzrastającej od obciążenia
2. Malejącej od obciążenia

O stałej sztywnośći – najczęściej stosowane, gdzie C = const

Podział sprężyn

Sprężyny można podzielić według różnych kryteriów, takich jak kształt, sposób pracy, rodzaj obciążenia czy zastosowanie. Oto podstawowe podziały:

Podział spręzyn w zależności od kształtu sprężyny

Podział sprężyn w zależności od kształtu można przedstawić następująco

sprężyny walcowe śrubowe naciskowe

Sprężyna walcowa o pręcie prostokątnym – Sprężyny te charakteryzują się prostokątnym przekrojem drutu, co pozwala na lepsze wykorzystanie przestrzeni i materiału. Są używane w sytuacjach wymagających wysokiej odporności na ściskanie. Sprężyny te cechują się większą sztywnością niż te o przekroju okrągłym.
Sprężyna walcowa o pręcie okrągłym – Najczęściej spotykane, charakteryzują się przekrojem w kształcie koła, co ułatwia produkcję i zwiększa odporność na zmęczenie materiałowe. Wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od motoryzacji po mechanikę precyzyjną. Norma specyfikująca te sprężyny: ISO 10243, DIN 2096 Dzięki równomiernemu rozłożeniu naprężeń są bardziej trwałe.

Podział sprężyn w zależności od linii wygięcia osi pręta

Sprężyny Śrubowe (o pręcie skręcanym)

Sprężyna walcowa ze stałą odiegłością zwojów – Sprężyny o jednakowym rozkładzie zwojów, stosowane w aplikacjach o stałym obciążeniu. Charakteryzują się przewidywalnym zachowaniem pod obciążeniem.
Sprężyna walcowa ze zmienną odległością zwojów – Zwoje są rozstawione nierównomiernie, co pozwala na zmniejszenie ryzyka trwałego odkształcenia. Często stosowane w aplikacjach o zmiennym obciążeniu.
Sprężyna baryłkowa  (o zmiennej średnicy) – Sprężyna o kształcie baryłki, która minimalizuje ryzyko wyboczenia przy dużych obciążeniach. Używana w aplikacjach wymagających dużej stabilności osiowej.
Sprężyna klepsydrowa (o zmiennej średnicy) – Kształt klepsydry zwiększa stabilność
Sprężyna stożkowa ( o zmiennej średnicy ) -Stożkowy kształt umożliwia oszczędność miejsca, gdy sprężyna jest w pełni ściśnięta. Używa w miejscach gdzie przestrzeń jest ograniczona.

Sprężyny spiralne

Sprężyna spiralna z ruchomym końcem zewnętrznym – ruchomy zewnętrzny koniec pozwala pozwala na regulację napięcia.
Sprężyna spiralna z ruchomym końcem wewnętrznym – Końce wewnętrzne mogą być regulowane, co zwiększa ich funkcjonalność. Stosowane w napędach sprężynowych, zegarkach i mechanizmach precyzyjnych, klamkach, napinaczach.

Sprężyna prosta
łukowe – Sprężyny w kształcie łuku stosowane w mechanizmach blokujących. Wyróżniają się dużą odpornością na odkształcenia
kątowe – Sprężyny o kątowym kształcie stosowane w zastosowaniach specjalnych. Mogą pełnić rolę stabilizatorów lub prowadnic. Używane np. w klamerkach do prania i wszędzie tam, gdzie wymagane jest dopasowanie się do kształtu

Podział prętów na sprężyny

Pręt na sprężyny okrągły – Przekrój okrągły zapewnia równomierne rozłożenie naprężeń, co zwiększa trwałość. Najczęściej stosowane w standardowych aplikacjach mechanicznych.

Pręt na sprężyny prostokątny – Przekrój prostokątny pręta zapewnia większą sztywność i zajmuje mniej miejsca zwłaszcza w stanie ściśniętym. Idealne do zastosowań o ograniczonej przestrzeni.

Zależnie od sposobu obciążenia pręta

-pręt ściskany  – np. sprężyna gumowa
-rozciągane
-skręcane
-zginane

Podział sprężyn zależnie od ilości działających w układzie sprężyn

Sprężyny pojedyncze – Sprężyny używane samodzielnie, spełniają określoną funkcję w pojedynczej aplikacji. Często stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego.

Sprężyny zespołowe – Zespoły sprężyn stosowane w miejscach, gdzie wymagana jest większa siła lub precyzja działania. Stosowane w ciężkich maszynach i konstrukcjach inżynieryjnych.