УЧЕБНАЯ МОДЕЛЬ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИНЫ СЖАТИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01M13/00 G09B23/00 

Изобретение относится к машиностроению, изобретение может использоваться в качестве учебной модели по вопросу исследования жесткости пружин сжатия.

В описании использована ссылка на следующую работу:

1. Испытательная техника. Справочник в двух книгах. Под ред. В.В. Клюева. Книга 2. М: Машиностроение, 1982, 560 с. (См. стр. 122-130).

Известна машина МИЛ-100-2 для испытания пружин (см. в [1] стр. 124-125, рис. 7 на стр. 124). Испытуемая пружина сжатия устанавливается между тарелями. Верхняя тарель с помощью компенсационной пружины соединена с подвижной кареткой, перемещающейся по направляющим колоннам. Привод каретки осуществляется от электродвигателя через червячный редуктор, размещенный в цоколе машины, и винтовую передачу. Движение на винт передается предохранительной муфтой, которая срабатывает при перегрузках. Кроме того, для работ по настройке и испытанию отдельных пружин предусмотрен ручной привод от маховика. Специальная электроблокировка исключает одновременную работу обоих приводов.

При массовых испытаниях для настройки на нужный размер пружины служит выдвижной упор, перемещаемый вращением рукоятки. Когда шток, жестко связанный с верхней тарелью, находит на упор, специальный стержень утапливается и своим нижним концом воздействует на микропереключатель. Двигатель отключается, и верхняя тарель останавливается, причем размер пружины оказывается зафиксированным. Величину нагрузки определяют по шкале циферблатной указательной головки. Усилие передается при помощи рычага с передаточным отношением 1:10. Для регулировки и вывешивания пружин служит груз, перемещающийся по винту вдоль рычага при вращении маховичка. Шток с цанговым упором служит для настройки на заданный ход. Деформацию измеряют по шкале с помощью нониуса. Для измерений с повышенной точностью машина снабжена индикаторным приспособлением. Прозрачное ограждение защищает оператора в процессе испытания. Вся электроаппаратура смонтирована в отдельном шкафу, связанном с машиной кабелем.

Таким образом, устройство машины МИЛ-100-2 для испытания пружин можно кратко описать следующими словами. Исследуемая пружина при испытаниях располагается вертикально. Для расположения пружины сжатия есть две опорные площадки. Для перемещения вниз верхней опорной площадки установка снабжена подвижной кареткой, перемещающейся по направляющим колоннам. Привод каретки осуществляется от электродвигателя через червячный редуктор, размещенный в цоколе машины, и винтовую передачу. Величину нагрузки определяют по шкале циферблатной указательной головки. Усилие передается при помощи рычага с передаточным отношением 1:10. Для регулировки и вывешивания пружин служит груз, перемещающийся по винту вдоль рычага при вращении маховичка. Деформацию измеряют по шкале с помощью нониуса. Для измерений с повышенной точностью машина снабжена индикаторным приспособлением.

Совпадающие признаки

Исследуемую пружину располагают вертикально. Есть две опорные поверхности для размещения между ними исследуемой пружины. Есть приспособление, позволяющее (хотя бы в отдельные моменты) замерить величину усилия, которым сжата пружина. Предусмотрена возможность определения величины изменения длины пружины в сжатом состоянии.

Недостатки

Для использования этого устройства в качестве учебной модели это устройство дорого (в том числе, составной частью этого устройства является указательная головки с циферблатной шкалой промышленного производства). Это устройство трудно изготовить самим (т.е. «кустарным» способом). При использовании этого устройства для студентов нет наглядности работы этого механизма, в результате студентам сложнее усвоить навык оценки жесткости пружин сжатия, экспериментально исследовать влияние различных параметров на жесткость пружин сжатия.

Известна машина МИЛ-10-1 для испытания пружин (см. в [1] стр. 123-124, рис. 6 на стр. 123), это устройство принято в качестве прототипа. Машина МИЛ-10-1 выполнена на базе весов типа ВНЦ-10. Измерение нагрузки происходит как на обычных весах. Смена диапазонов нагрузки соответственно осуществляется при помощи гирь, накладываемых на левую чашку. Механизм весов заключен в силуминовый корпус. На рычаге установлен винт, по которому при вращении ручки перемещается груз, благодаря чему можно компенсировать вес испытуемой пружины путем установки стрелки циферблатного указателя в нулевое положение, а также компенсировать разницу в весе приспособлений, устанавливаемых на правой чашке. Привод машины ручной. Головка нагружения с верхней тарелью (верхняя опорная площадка пружины) жестко связана с зубчатой рейкой и перемещается по стойке. При вращении рукоятки (быстро) или маховичка (медленно) приводится во вращение зубчатое колесо, сцепленное с рейкой, и перемещается головка, к которой прикреплена верхняя опорная площадка пружины. Величину деформации отсчитывают по линейке с нониусом.

Таким образом, устройство этой машины для испытания пружин сжатия можно описать следующими словами. Внешне эта установка похожа на стрелочные весы. Исследуемую пружину сжатия располагают вертикально. Установка снабжена вертикальной стойкой. Установка снабжена двумя опорными площадками, предназначенными для взаимодействия с исследуемой пружиной. Причем нижняя опорная площадка скреплена с соответствующими деталями. Привод машины ручной. Головка нагружения с верхней тарелью (верхняя опорная площадка для размещения пружины сжатия) связана с зубчатой рейкой и перемещается по вертикальной стойке. При вращении рукоятки (или маховичка) приводится во вращение зубчатое колесо, сцепленное с рейкой, и перемещается головка, к которой жестко прикреплена верхняя опорная площадка. По величине смещения верхней опорной площадки определяют изменение длины пружины (в нагруженном состоянии). Это смещение замеряется по линейке, установленной на стойке. Сила со стороны сжатой пружины сжатия воздействует на нижнюю опорную площадку. Эта сила замеряется с помощью весов; эта сила вызывает отклонение от «нуля» стрелочного указателя весов. Смена диапазонов замеряемой нагрузки осуществляется при помощи гирь, устанавливаемых на левую чашку весов (как на обычных весах такой конструкции). На горизонтальном рычаге установлен винт, по которому перемещается груз при вращении специальной ручки. Смещение этого груза позволяет компенсировать вес испытуемой пружины (и вес различных приспособлений) путем установки стрелки циферблатного указателя в нулевое положение.

Совпадающие признаки

Пружину размещают вертикально. Есть две опорные поверхности для размещения между ними исследуемой пружины. Есть приспособление, позволяющее (хотя бы в отдельные моменты) замерить величину усилия, которым сжата пружина. Есть вертикальный стержень; устройство, сжимающее пружину, перемещается по этому вертикальному стержню Предусмотрена возможность определения величины изменения длины пружины в сжатом состоянии.

Недостатки

Для использования этого устройства в качестве учебной модели это устройство дорого (в том числе, составной частью этого устройства являются весы промышленного производства). Это устройство трудно изготовить самим (т.е. «кустарным» способом). При использовании этого устройства для студентов нет наглядности работы этого механизма, в результате студентам сложнее усвоить навык оценки жесткости пружин сжатия, экспериментально исследовать влияние различных параметров на жесткость пружин сжатия.

Задачи изобретения

Обеспечить возможность исследовать жесткость пружины сжатия без использования дорогостоящего оборудования, чтобы это устройство можно было изготовить самим (т.е. «кустарно») и чтобы были более наглядны и понятны процедуры при использовании предлагаемого устройства в качестве учебной модели по исследованию жесткости пружин сжатия.

Данная учебная модель дает возможность более наглядно следить и самому исследователю производить работы по изменению длины пружины сжатия и при этом определять нагрузку, сжимающую пружину. Это устройство можно изготовить самим (т.е. «кустарно»).

Эти задачи решаются следующим образом. Исследуемая пружина сжатия нанизывается на длинный резьбовой, вертикально расположенный стержень, который неподвижно закреплен на основании. Используется длинное уравновешенное коромысло. Причем это коромысло посередине шарнирно опирается на неподвижную опору. С одной стороны этого длинного коромысла подвешена прочная нить с петлями. Эти петли нужны, чтобы удобно было крепить к этой нити съемные грузы. При подвешенных к этой нити грузах другая сторона этого длинного коромысла упирается одновременно в неподвижный упор и (используя вспомогательные детали) в нижнюю опорную площадку для установки пружины. При этом сжатие пружины происходит путем закручивания по резьбе упора, который, через вспомогательные детали, воздействует на верхнюю опорную площадку для установки пружины. Необходимо дополнительно отметить, что коромысло должно быть хорошо уравновешено, кроме этого, плечо силы тяжести подвешенного груза относительно оси вращения этого коромысла должно быть равно плечу равнодействующей силы со стороны сжатой пружины относительно оси вращения этого коромысла.

Технический результат изобретения заключается в следующем. Обеспечивается возможность исследования жесткости пружины сжатия без использования дорогостоящего оборудования, чтобы это устройство можно было изготовить самим (т.е. «кустарно») и чтобы были более наглядны и понятны процедуры при использовании предлагаемого устройства в качестве учебной модели по исследованию жесткости пружин сжатия.

Таким образом, в предлагаемом устройстве не используется дорогостоящее оборудование (весы промышленного производства), устройство можно изготовить самим (т.е. «кустарно»). Исследуемая пружина сжатия нанизывается на длинный резьбовой, вертикально расположенный стержень, который неподвижно закреплен на основании. Используется длинное уравновешенное коромысло. Причем это коромысло посередине шарнирно опирается на неподвижную опору. С одной стороны этого длинного коромысла подвешена прочная нить с петлями. При подвешенных к этой нити грузах другая сторона этого длинного коромысла упирается одновременно в неподвижный упор и (используя вспомогательные детали) в нижнюю опорную площадку для установки пружины. При этом сжатие пружины происходит путем закручивания по резьбе упора, который, через вспомогательные детали, воздействует на верхнюю опорную площадку для установки пружины.

Перечисленное выше обуславливает причинно-следственную связь между задачей изобретения и техническим результатом изобретения.

Чтобы было понятней (для студентов) из чего состоит и как работает предлагаемая установка, сделано несколько рисунков. Причем, чтобы не загромождать рисунки, часто на рисунках показаны не все детали, в некоторых случаях показаны разрезы некоторых деталей (например, витков исследуемой пружины). На фиг. 1 показан общий вид. На фиг. 2 показано расположение различных упоров. На фиг. 3 показана часть установки без упоров, связанных неподвижно с основанием. На этих фигурах использованы разные масштабы. Некоторые детали на фигурах показаны по-разному; например, верхняя часть детали 6, упор 17, петли 4 на нити 3 и др.

На фигурах обозначены следующие детали.

1. Основание.

2. Груз, подвешенный на прочной нити.

3. Прочная нить.

4. Петли на нити.

5. Длинное уравновешенное коромысло.

6. Стойка для крепления оси вращения длинного уравновешенного коромысла.

7. Ось вращения длинного уравновешенного коромысла.

8. Резьбовой стержень (резьба на фиг. не показана). Этот стержень расположен вертикально и закреплен неподвижно на основании.

9. Нижняя втулка.

10. Нижняя опорная шайба пружины.

11. Верхняя опорная шайба пружины.

12. 0порная шайба.

13. Сечения витков пружины.

14. Верхняя вспомогательная втулка.

15. Верхний упор, перемещаемый вертикально по резьбе при его вращении.

16. Рукоятка верхнего упора.

17. Неподвижно закрепленная на основании стойка.

18 и 19. Детали упора на коромысле (это продолжение детали 5).

20 и 21. Детали горизонтального упора, жестко связанного со стойкой 17.

На фигурах пружина сжатия показана условно. Обычно у пружин сжатия на торцах сделаны «законцовки», так что при сжатии пружин сжатия не происходит заметного перекоса опорных поверхностей (кроме того, фактически пружина сжатия может иметь другое число витков).

Если пружина 13 не велика по длине, а стержень 8 достаточно длинный, то, чтобы можно было быстрей навинтить упор 15, можно использовать вспомогательную втулку 14. Наличие детали 14 также способствует уменьшению возможного «перекоса» опорной поверхности испытуемой пружины (см. деталь 11).

Удобно, чтобы резьба на стержне 8 имела бы шаг, равный 1 мм. Тогда один оборот рукоятки 16 будет соответствовать перемещению (т.е. изменению длины пружины при неподвижной нижней опоре), равному 1 мм. Или шаг резьбы, равный 0,5 мм. Тогда один оборот рукоятки 16 будет соответствовать перемещению (т.е. изменению длины пружины при неподвижной нижней опоре), равному 0,5 мм.

В исходном состоянии в рабочем положении коромысло 5 располагается горизонтально (см. фиг. 1).

Втулка 9 вставлена в эту систему, чтобы обеспечить возможность «отхода» деталей 18 и 19 от деталей упора (см. детали 20 и 21), когда нагрузка со стороны сжатой пружины на опору 10 превысит вес груза 2.

Верхний упор «фигурный» (в виде вилки; см. детали 20 и 21). Между зубьями (см. детали 20 и 21) этой «вилки» свободно вставляется втулка 9, но при этом детали 18 и 19 (будучи поджатыми) упираются в детали 20 и 21. А втулка 9 упирается в детали 18 и 19. Стержень 8 «пронзает насквозь» упоры. Т.е. детали 18 и 19, а также 20 и 21 образуют как бы «вилки», между зубьями которых проходит стержень 8. Внутренний диаметр втулки 9 таков, чтобы втулка 9 свободно «нанизывалась» на стержень 8. Наружный диаметр втулки 9 таков, чтобы опорная деталь (опорная шайба) 10 упиралась во втулку 9, при этом, чтобы втулка 9 упиралась в детали 18 и 19, но свободно проходила между деталями (зубьями вилки) 20 и 21. Высота втулки 9 должна обеспечить «отход» упоров («отход» деталей 18 и 19 от деталей 20 и 21), когда нагрузка со стороны сжатой пружины превысит вес груза 2 (см. фиг. 1). Описывая выше возможные перемещения деталей, предполагалось, что коромысло 5 хорошо уравновешено, что трение при вращении коромысла 5 мало, что общий вес самой пружины и различных вспомогательных деталей много меньше веса груза 2, кроме этого, плечо силы тяжести груза 2 относительно оси вращения коромысла должно быть равно плечу равнодействующей силы со стороны сжатой пружины относительно оси вращения коромысла.

Если для расчетов жесткости пружины использовать приращения нагрузки ΔР и соответствующие изменения длины пружины ΔL, то, можно так сказать, что вес самой пружины и вспомогательных деталей будет автоматически учитываться.

Чтобы резьба на стержне 8 «не цеплялась» за исследуемую пружину, на стержень 8 можно одевать кусок трубочки нужной длины.

Устанавливая исследуемую пружину (см. позиции 13 на фиг. 1), следует следить, чтобы стержень 8 располагался бы примерно посередине относительно витков пружины, чтобы исследуемая пружина не цеплялась за резьбу на стержне 8.

Процесс исследования жесткости пружины сжатия можно описать следующими словами. Предполагается, что установка собрана (см. фиг. 1), размеры исследуемой пружины (ее длина, диаметр) подходят для этой установки.

Предварительно замеряют и записывают данные о пружине (длина пружины, диаметр пружины, диаметр проволоки, из которой навита пружина, число рабочих витков).

На нить 3 вешают груз 2 большой массы. Затем на стержень 8 последовательно нанизывают втулку 9, нижнюю опорную площадку для пружины (шайбу) 10, исследуемую пружину (см. позиции 13 на фиг. 1), верхнюю опорную площадку (шайбу) 11. Устанавливая эти детали, надо стремиться к тому, чтобы стержень 8 располагался бы посередине, чтобы резьба на стержне 8 не зацеплялась бы за детали. При необходимости вставляют вспомогательную втулку 14 и шайбу 12. Затем навинчивают упор 15, вращая рукоятку 16. Накручивают упор 15 до соприкосновения с деталью 12 (или с деталью 11, если детали 12 и 14 не использовались).

Затем назначают максимальную нагрузку P_max. Снимают с нити груз 2. На его место вешают груз, масса которого соответствует нагрузке P_max/10. (Смену грузов проводят осторожно, придерживая коромысло 5, чтобы коромысло 5 не «вращалось» при проведении этих работ.) «Опускают» вниз упор 15, вращая его по резьбе на стержне 8. При этом считают число оборотов (включая доли числа оборотов) рукоятки 16. Упор 15 опускают вниз до тех пор, пока между деталями 18, 19 и деталями 20, 21 не образуется зазор. Для облегчения работ по фиксации факта образования этого зазора можно использовать электрическую схему. Например, при образовании зазора будет размыкаться линия электропередачи (карманного фонаря).

Затем меняют груз 2 (например, вместо нагрузки P_max/10 будет нагрузка 2×(P_max/10)). И повторяют описанные выше работы по сжатию пружины. А именно, вращают упор 15 (при этом считают количество оборотов) до момента начала образования зазора (см. выше).

Затем меняют груз 2 (например, вместо нагрузки 2×(P_max/10) будет нагрузка 3×(P_max/10)). И повторяют описанные выше работы по сжатию пружины и т.д.

Нагрузки P_max/10; 2×(P_max/10); 3×(P_max/10) указаны условно. Фактически значения нагрузок будут определяться имеющимися в наличии грузами. На каждом этапе исследования надо записывать значение нагрузки и замеренное (точнее, определенное при испытаниях) значение изменения длины пружины.

Обычно «первый» замер (когда изменение длины пружины происходит от нуля до первой замеряемой величины) не учитывают.

Удобно, когда шаг резьбы на стержне 8 равен 1 мм. В этом случае один полный оборот рукоятки 16 приводит к смещению по вертикали упора 15 на 1 мм.

Жесткость пружины сжатия С_сж вычисляют по соотношению:

С_сж=ΔР/ΔL,

где ΔР - изменение нагрузки, сжимающей пружину, ΔL - изменение длины пружины при этом изменении нагрузки.

Таким образом, можно сказать, что длина сжатой пружины изменяется путем вращения по винтовой линии упора, воздействующего на верхнюю опорную поверхность. При этом замер изменения длины сжатой пружины ΔL проводится посредством подсчета числа оборотов этого упора при его вращении, т.е. при его движении вниз по этой винтовой линии. А для замера в отдельные моменты величины усилия, которым сжимается исследуемая пружина, используются грузы, подвешиваемые на прочной нити. Причем эта нить имеет петли, обеспечивающие удобство для размещения грузов. При этом эта нить подвешивается у одного конца уравновешенного коромысла. Причем это коромысло в средней части шарнирно скреплено с неподвижной опорой. А другой конец этого коромысла посредством вспомогательных деталей одновременно упирается в неподвижную опору и в нижний торец сжатой пружины. При этом, когда усилие со стороны сжатой пружины сравнивается или превышает вес грузов, подвешенных на прочной нити, это коромысло отходит от неподвижного упора и нижняя опорная площадка пружины смещается вниз. При этом жесткость пружины сжатия С_сж вычисляется по соотношению:

С_сж=ΔP/ΔL,

где ΔL - изменение длины пружины, вызванное изменением нагрузки ΔР.

Необходимо дополнительно отметить, что коромысло 5 должно быть хорошо уравновешено, кроме этого, плечо силы тяжести груза 2 относительно оси вращения коромысла должно быть равно плечу равнодействующей силы со стороны сжатой пружины относительно оси вращения коромысла. Причем величины ΔР и ΔL определяются для моментов, когда между деталями, связанными с неподвижным упором и деталями, связанными с коромыслом, начинает образовываться зазор при плавном движении вниз верхнего упора по винтовой линии.

Изобретение относится к машиностроению, изобретение может использоваться в качестве учебной модели по вопросу исследования жесткости пружин сжатия. Устройство содержит приспособления для размещения пружины сжатия, приспособление для сжатия пружины, приспособление для замера изменения длины сжатой пружины, приспособление для замера в отдельные моменты усилия сжатия исследуемой пружины, при этом при испытаниях исследуемую пружину располагают вертикально. Длина сжатой пружины изменяется путем вращения по винтовой линии упора, воздействующего на верхнюю опорную поверхность. Замер изменения длины сжатой пружины ΔL проводится посредством подсчета числа оборотов этого упора при его вращении в процессе движения вниз по этой винтовой линии. Для замера в отдельные моменты величины усилия, которым сжимается исследуемая пружина, используются грузы, подвешиваемые на прочной нити. Эта нить имеет петли, обеспечивающие удобство для размещения грузов. Эта нить подвешивается у одного конца уравновешенного коромысла. Это коромысло в средней части шарнирно скреплено с неподвижной опорой. Другой конец этого коромысла посредством вспомогательных деталей одновременно упирается в неподвижную опору и в нижний торец сжатой пружины. Плечо силы тяжести подвешенного груза относительно оси вращения коромысла должно быть равно плечу равнодействующей силы со стороны сжатой пружины относительно оси вращения коромысла. Когда усилие со стороны сжатой пружины сравнивается или превышает вес грузов, подвешенных на прочной нити, это коромысло отходит от деталей, связанных с неподвижным упором, и нижняя опорная площадка пружины смещается вниз. Жесткость пружины сжатия С_сж вычисляется по соотношению: С_сж=ΔP/ΔL, где ΔL - изменение длины пружины, вызванное изменением нагрузки ΔР. Технический результат - обеспечение возможности исследования жесткости пружины сжатия без использования дорогостоящего оборудования, чтобы это устройство можно было изготовить самим и чтобы были более наглядны и понятны процедуры при использовании предлагаемого устройства в качестве учебной модели по исследованию жесткости пружин сжатия. 3 ил.

Учебная модель по исследованию жесткости пружины сжатия, представляющая собой устройство, содержащее приспособления для размещения пружины сжатия, приспособление для сжатия пружины, приспособление для замера изменения длины сжатой пружины, приспособление для замера в отдельные моменты усилия сжатия исследуемой пружины, при этом при испытаниях исследуемую пружину располагают вертикально, и это устройство содержит вертикально расположенный стержень, отличающаяся тем, что содержит длинное уравновешенное коромысло, при этом на одном конце этого коромысла закреплена прочная нить с петлями, другой конец этого коромысла в рабочем состоянии упирается одновременно в неподвижный горизонтальный упор, закрепленный на основании, и посредством вспомогательных деталей в нижнюю опорную площадку исследуемой пружины, в рабочем состоянии устройства это коромысло располагается горизонтально, кроме этого, плечо силы тяжести подвешенного груза относительно оси вращения коромысла должно быть равно плечу равнодействующей силы со стороны сжатой пружины относительно оси вращения коромысла, кроме того, устройство содержит закрепленные на основании стойки для шарнирного крепления оси вращения длинного уравновешенного коромысла, кроме того, вертикально расположенный стержень представляет собой длинный резьбовой стержень, расположенный вертикально и неподвижно закрепленный на основании в зоне концевой части коромысла, устройство также содержит втулку, которая нанизывается на длинный резьбовой стержень, причем эта втулка упирается в коромысло, проходя между зубьями неподвижного упора, устройство также содержит верхний упор, перемещаемый по резьбе длинного стержня при вращении, для удобства этот упор снабжен рукояткой, причем длина сжатой пружины изменяется путем вращения по винтовой линии упора, воздействующего на верхнюю опорную поверхность, при этом замер изменения длины сжатой пружины ΔL проводится посредством подсчета числа оборотов этого упора при его вращении, то есть при его движении вниз по этой винтовой линии, а для замера в отдельные моменты величины усилия, которым сжимается исследуемая пружина, используются грузы, подвешиваемые на прочной нити в районе другого конца коромысла, когда усилие со стороны сжатой пружины сравнивается или превышает вес грузов, подвешенных на прочной нити, это коромысло отходит от неподвижного упора и нижняя опорная площадка пружины смещается вниз, при этом жесткость пружины сжатия С_сж вычисляется по соотношению:

С_сж=ΔP/ΔL,

где ΔL - изменение длины пружины, вызванное изменением нагрузки ΔР, причем величины ΔР и ΔL определяются для моментов, когда между деталями, связанными с неподвижным упором, и деталями, связанными с коромыслом, начинает образовываться зазор при плавном движении вниз верхнего упора по винтовой линии.