Пип с механическими и механическими упругими чувствительными элементами

Рисунок 7

Жесткость и чувствительность упругого элемента с нелинейной характеристикой

 

 

 

 

3 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ПЛОСКИХ ПРУЖИН

 

В приборостроении  широко применяются прямые, кривые, спиральные пружины различных форм и размеров. Они называются плоскими, если оси этих пружин представляют собой плоские кривые. Плоской пружине при изготовлении почти всегда может быть придана такая форма, которая в каждом конкретном случае наиболее удобна для размещения пружины в корпусе прибора. При этом пружина обычно занимает небольшое место. Плоская пружина может иметь весьма малые размеры в направлении перемещения. В этом отношении она более удобна, чем винтовая, однако, как правило, максимально допустимые перемещения плоской пружины значительно меньше, чем у винтовой.

Плоские пружины  могут быть очень жесткими или очень податливыми в зависимости от формы и размеров. Особенностью ленточной плоской пружины является то, что она податлива на изгиб только в одном направлении — в плоскости минимальной жесткости — и имеет большую жесткость на растяжение и па изгиб в другом направлении. Поэтому плоские пружины успешно используются в качестве измерительных, направляющих, упругих подвесов подвижных частей прибора и пр.

Плоские пружины  могут изготовляться из круглой  проволоки, но чаще они штампуются из пружинной ленты. Простота изготовления плоских пружин является их существенным достоинством.

Широко применяются  плоские пружины в различных электроконтактных устройствах. Наиболее распространена здесь одна из самых простых конструктивных форм плоской пружины в виде прямого консольно закрепленного стержня. В качестве примера на (Рис. 9,а) изображена контактная группа одного из электромагнитных реле. Контактные пластинки должны иметь малое электросопротивление, поэтому они изготовляются из фосфористой, кремнемарганцовистой, алюминиевой, бериллиевой бронз, латуней, нейзельбера и значительно реже из пружинных сталей. Благодаря плоской форме пружин можно собрать пакет контактных групп в небольших габаритах.

Рисунок 9

Контактные пружины:

а — контактная группа электромагнитного  реле;   б — перекидной контакт;

в — скользящие контактные пружины

 

С помощью плоской  пружины просто может быть выполнен перекидной контакт, обеспечивающий быстрое включение и выключение. Как контактная, так и перекидная пружины могут штамповаться из одного куска ленты (Рис.9, б). Перекидная пружина устанавливается с начальным натяжением, поэтому среднее положение контактной пластины неустойчиво, и при ее переходе из одного крайнего положения в другое контакты быстро замыкаются или размыкаются.

Плоские пружины  применяются в электроконтактных устройствах также в качестве скользящих контактов (Рис. 9, в). Необходимая сила контактного давления обеспечивается упругостью пружины. Большая жесткость контактной пружины в направлении перемещения определяет достаточно точное положение контактов.

Плоские пружины получили большое и разнообразное применение в роли кинематических элементов приборов; упругих опор и направляющих, гибких связей и деталей передаточно-множительных механизмов.

Упругие опоры  и направляющие, изготовленные из плоских пружин, практически не имеют трения и люфтов, не нуждаются в регулярном уходе, смазке, не боятся загрязнений и обладают большей надежностью, чем, например, призматические опоры. Недостаток упругих опор и направляющих заключается в ограниченности величин линейных и угловых перемещений.

Рисунок 10

Упругие опоры

Рисунок 11

Упругие опоры:

а — крестообразные; б — радиальная

Ленточные пружины  применяются также, как направляющие деталей прибора. Упругие направляющие имеют разнообразные конструкции, определяемые особенностями каждого конкретного механизма прибора. Некоторые типы упругих направляющих даны на (Рис 12). Строго поступательное  движение обеспечивает конструкция из двух одинаковых, параллельных друг другу плоских пружин (Рис. 12, а). Однако, помимо рабочего перемещения в продольном направлении, деталь будет получать небольшие перемещения в поперечном направлении. Этот недостаток не свойственен упругой направляющей, изображенной на (Рис. 12, г). Перемещение по некоторой криволинейной траектории дает упругая направляющая, указанная на (Рис. 12, б). Направляющая в виде криволинейной пружины (Рис. 12,в) обеспечивает осевое перемещение стержня, допуская в то же время некоторый перекос. Для направления движения катушек, якорей и других подвижных деталей электро-механических приборов применяются упругие направляющие в виде прорезных шайб (Рис 12, д).

 

Рисунок 12

Упругие направляющие

Очень тонкие ленточные  пружины используются также в  качестве подвесов высокочувствительных элементов измерительных приборов (Рис. 13). Эти подвесы обеспечивают жесткость подвижной системы в осевом направлении и в то же время они оказывают малое сопротивление вращению подвижной системы при почти полном отсутствии трения.

Рисунок 13

Ленточные подвесы

а — подвес    рамки   электроизмерительного    прибора; б — подвес зеркала   гальванометра   осциллографа

 

 

 

 

4 ВИНТОВЫЕ ПРУЖИНЫ

 

Винтовая пружина  обычно навивается из проволоки в виде пространственной спирали. Наибольшее применение имеют винтовые цилиндрические пружины (Рис. 15, а), как самые простые в изготовлении и эксплуатации. К винтовым пружинам относятся также и спиральные фасонные пружины: конические, параболоидные (Рис. 15, б, в). Изготовление этих пружин более сложно, и они применяются реже.

Рисунок 15

Типы  винтовых   пружин:

а — цилиндрическая; б — коническая; в — параболоидная; г — пружина изготовленная

точением и  фрезерованием

Пружина способна получать значительные взаимные перемещения торцов при малых упругих деформациях проволоки. Винтовые пружины компактны и обычно легко размещаются в механизме прибора.

Все сечения  винтовой цилиндрической пружины нагружаются  одинаково (за исключением концевых витков), что в сочетании с высокими качествами пружинной проволоки обеспечивает хорошую стабильность упругих свойств и надежность винтовых пружин в работе.

Простота изготовления винтовых пружин определяет их низкую стоимость как в крупносерийном, так и в единичном производстве.

В некоторых  случаях применяются пружины с прямоугольным сечением витка (Рис. 15, г), изготовляемые из трубки токарно-фрезерной обработкой. Таким способом может быть изготовлена пружина из материала с высокими упругими и прочностными свойствами, если его низкая пластичность не позволяет получать из него пружины навивкой. Трудоемкость изготовления таких пружин оправдывается в том случае, когда к качеству пружины предъявляются особенно высокие требования.

Материал винтовой пружины подбирается в зависимости от назначения пружины, требований к ее качествам и условий работы.

По условиям нагружения винтовые пружины можно разделить на пружины растяжения, сжатия, кручения и изгиба (Рис. 16).

Рисунок 16

Винтовые пружины: а) растяжения; б) сжатия; в) кручения; г) изгиба

Благодаря простой  и компактной конструкции, хорошим  рабочим качествам, простоте изготовления, винтовые пружины находят широкое и разнообразное применение в приборах.

Высокие упругие  свойства обусловливают успешное применение винтовых пружин в качестве измерительных, преобразующих измеряемое усилие в перемещение. Измерительные винтовые пружины широко применяются в манометрических приборах совместно с разделительными элементами в виде сильфонов или эластичных мембран (Рис. 17, а), в качестве силового элемента настройки нижнего или верхнего предела измерения, например, в манометре с безнулевой шкалой (Рис. 17, б). Винтовые пружины используются в качестве измерительных в прецизионных хронометрах .

В последние  годы появились измерительные пружины, предназначенные для преобразования линейного перемещения в угловое. Они представляют собой тонкую металлическую ленту, каждая половина которой навита в противоположном направлении по винтовой линии большого угла подъема. При осевой деформации такой пружины ее среднее сечение получает значительные угловые перемещения (до 7—10 оборотов). Такие пружины могут быть использованы в высокочувствительных весах, в приборах для измерения линейных размеров, в микроманометрах и барометрах (Рис. 17, в) и в других приборах

Винтовые пружины  используются особенно часто в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели, например, в фотозатворах, в механизмах привода различных счетных и регистрирующих приборов.

Винтовые пружины  используются и в других более  специальных целях. В качестве амортизатора часто применяются конические пружины. Пружины кручения находят применение как тормозы, муфты одностороннего вращения (Рис. 17, г) и т. д.

 

Рисунок 17

Примеры применения винтовых пружин:

а — в сильфонном измерителе давления;   б —в манометре с безнулевой шкалой; в — в передаточном механизме барометра; г — в муфте одностороннего вращения.

 

 

 

 

 

 

5 ТЕРМОБИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРУЖИНЫ

 

Термобиметаллическая пружина состоит из двух металлических полосок, материал которых имеет различные коэффициенты линейного расширения (Рис. 18, а). Эти полоски соединяются между собой сваркой или пайкой. Слой термобиметалла, обладающий большим коэффициентом линейного расширения, называется активным в отличие от инертного слоя с меньшим коэффициентом линейного расширения. При нагреве биметаллическая полоса изгибается в сторону инертного компонента (Рис. 18, б). Входным параметром термобиметалла является температура, а выходным — перемещение.

Рисунок 18

Термобиметаллическая пружина при   нормальной   температуре (а) и при нагреве (б)

Благодаря простоте, дешевизне и надежности в работе термобиметаллы широко применяются в различных приборах и устройствах.

Термобиметаллическая  пружина часто используется, например, как чувствительный элемент биметаллического термометра. В этом случае термобиметалл  должен обладать высокой чувствительностью  для обеспечения достаточно большого перемещения. Перемещение термобиметалла возрастает с его длиной; для увеличения длины чувствительного элемента при сохранении малых габаритов ему обычно придается спиральная или винтовая форма.

Применение  термобиметаллов не ограничивается задачей измерения температур. Часто они используются для измерения других параметров, преобразуемых в температуру. Так, например, для измерения силы и мощности тока используются биметаллические амперметры и ваттметры. Измерительная система биметаллического амперметра показана на (Рис.19, а). Чувствительный элемент представляет собой биметаллическую спираль 1, которая нагревается током. С увеличением силы тока деформация спирали возрастает, и стрелка поворачивается. Монометаллический волосок 2 служит для подвода тока к поворачивающемуся концу биметаллической спирали, а дополнительная биметаллическая пружина 3 необходима для введения поправки при изменении температуры окружающей среды. Волосок 2 и пружина 3 отделены от основной спирали 1 экраном 4, который защищает их от нагрева со стороны спирали 1.

Рисунок 19

Применение термобиметаллических пружин:

а — измерительная система биметаллического амперметра; в — термобиметаллическое реле; г — термобиметаллический контакт быстрого срабатывания

Более широко, чем  в измерительных приборах, термобиметаллические пружины используются в различных релейных устройствах, предназначенных главным образом для защиты электрических цепей и аппаратов от перегрева, а также в элементах простейших регуляторов температуры. Биметаллические защитные реле и регуляторы температуры широко используются и в бытовых аппаратах (в холодильниках, утюгах, стиральных машинах), и в промышленных системах (реле защиты электродвигателей, регуляторы температуры в электропечах небольшой мощности). На (Рис. 19, в) представлена схема биметаллического реле, реагирующего на изменение окружающей температуры. Биметаллическая пластинка 1 нажимает на контактную пружину 2, разрывая контакт между пружиной 2 и контактным винтом 3. Положением этого винта устанавливается температура срабатывания реле.

Недостатком термобиметаллических контактных устройств является медленное  замыкание и размыкание контактов. Для устранения этого недостатка применяются пружинные или магнитные перекидывающие устройства, конструкции которых подобны перекидывающим устройствам в обычных контактных маханизмах. Тот же результат может быть достигнут применением биметаллических элементов специальной конструкции, которые способны давать скачкообразные перемещения в результате потери устойчивости при нагреве. Такие элементы выполняются или в виде биметаллических выпуклых мембран, или в виде биметаллической полоски в форме пологой арки (Рис. 19, г).

Весьма широкое  применение получили биметаллы в  качестве температурных компенсаторов  самых различных приборов.