Podobné články
Kdy použít lineární vedení s dvojitou kolejnicí?
Vlnové pružiny poskytují více síly na menším prostoru
22.09. 2016by Admin E-konstruktérVlnové pružiny z plochého drátu nabízejí v mnoha aplikacích značné výhody oproti tradičním, například vinutým nebo talířovým pružinám.
Osvědčené vinuté pružiny a talířové pružiny fungují dobře v mnoha technických aplikacích. Vyplatí se však porovnat tyto dobře známé možnosti s jinou inovativní konstrukcí pružin – vlnovými pružinami z plochého drátu. V závislosti na aplikaci mohou jednozávitové a vícezávitové vlnové pružiny nabídnout oproti svým tradičnějším protějškům výrazné výhody.
Dva z nejpřesvědčivějších důvodů k nasazení vlnových pružin zahrnují silové aspekty, včetně působivého poměru síly k pracovní výšce a schopnosti vyvíjet konzistentní sílu v širokém rozsahu deformace. Díky dalším zásadním výhodám, jako je úspora prostoru v axiálním i radiálním směru, absence torzního namáhání, lepší rozměrové tolerance a delší chod, jsou tyto jedinečné vlnové pružinové prvky jasně nejlepší volbou pro širokou paletu technických systémů a náročných provozních prostředí. Jednozávitové vlnové pružiny například často nahrazují ražené zvlněné podložky v aplikacích sahajících od těsnění hydraulických systémů po tlumiče hluku. Vícezávitovými vlnovými pružinami se obvykle nahrazují vícenásobné talířové pružiny nebo vinuté pružiny u převodových a hydraulických systémů.
Zde je podrobnější přehled nejdůležitějších technických výhod vlnových pružin a některých aplikací, ve kterých se vlnové pružiny s výhodou uplatní:
Vlnové pružiny vyvíjejí konzistentní sílu v širokém rozsahu deformace
- Rybářské navijáky. Díky tomu, že vlnové pružiny vyžadují v axiálním směru o polovinu méně místa než obdobné talířové pružiny, je možné dosáhnout u celého navijáku úspory hmotnosti i rozměrů, a tím i většího pohodlí a menší únavy uživatelů. Vlnové pružiny kromě toho nabízejí přesnou deformaci při zatížení, která umožňuje dosažení konzistentní tuhosti a průběhu zatížení pružiny v požadovaném rozsahu stlačení. Při použití v sestavě navijáku umožňuje tato konzistentní síla pružiny hladší chod navijáku a eliminaci brzdného odporu. Oproti tomu vinuté pružiny mají při nastavování brzdného odporu zpočátku lineární charakteristiku, ale na konci se zploští, takže posledních 30% rozsahu nastavení není k dispozici. Použití vlnové pružiny zajišťuje jemnější regulaci s lineárnějším průběhem – a tím i plynulejší nastavení brzdy a lepší funkci.
- Ozubená soukolí. Použití vlnové pružiny v ozubeném soukolí umožňuje lineární nastavení v celém rozsahu síly. Vinuté pružiny oproti tomu umožňují jemné lineární nastavení pouze na počátku rozsahu síly.
- Kluzné spojky. Při použití kluzné spojky k prodloužení životnosti dalších součástí stroje je zásadní, aby spojka reagovala rychle podle přednastavených hodnot krouticího momentu. Díky tomu, že vlnové pružiny nabízejí možnost mimořádně jemného lineárního nastavení, je možné nastavit kluznou spojku tak, aby pohotově zafungovala při dosažení stanoveného momentu.
- Průtokové ventily / bezpečnostní ventily. Průtokové ventily a bezpečnostní ventily musí otevírat spolehlivě a opakovatelně při předem daných hodnotách tlaku. Vlnové pružiny to umožňují, protože dovolují jemné a přesné lineární nastavení.
- Rychlospojky. Bajonetové spojky a jiné rychlospojky se musí kvůli bezpečnosti při přednastavené hodnotě momentu rozpojit. Při jejich konstrukci je možné využít vlnové pružiny, které zajistí přesné lineární nastavení zabraňující předčasnému rozpojení těchto spojek.
Vlnové pružiny šetří místo a vyžadují méně obrábění.
Úspora místa v axiálním směru je zřejmě nejvýraznější vlastností vlnových pružin v přímém srovnání s jinými konstrukcemi pružin. Například ve statických aplikacích vlnové pružiny obvykle vyžadují jen polovinu pracovní výšky obdobných vinutých pružin. Tato výšková výhoda se v dynamických aplikacích snižuje zhruba na třetinu, protože namáhání ohybem v těchto aplikacích vyžaduje více závitů. V každém případě však jednozávitové a vícezávitové vlnové pružiny nabízejí oproti vinutým a talířovým provedením výraznou úsporu místa. Jediná vícezávitová vlnová pružina totiž dokáže nahradit několik vinutých pružin v tradičním uspořádání. Vlnové pružiny navíc mohou oproti talířovým a vinutým pružinám s většími průměry ušetřit i místo v radiálním směru. Následujících několik příkladů ukazuje, jak použití vlnových pružin snadno řeší prostorová omezení:
- Mechanické ucpávky. Tyto rozšířené součásti se často používají k utěsnění rotujících hřídelů ve stacionárních pouzdrech u strojů, jako jsou čerpadla a míchadla. Posuvné součásti jsou k sobě přitlačovány silou, obvykle vyvíjenou vinutými pružinami, která zabraňuje samovolnému otevření ucpávky. V dlouhé řadě aplikací nabízejí vlnové pružiny oproti vinutým pružinám několik výhod. Kromě úspory místa nejsou v pouzdru hřídele potřeba žádné dodatečné otvory k umístění vlnových pružin. Díky tomu je potřeba méně obráběcích operací.
Další výhodou je, že vlnové pružiny se stlačují pouze v axiálním směru, takže nedochází k torznímu namáhání. Vinuté pružiny naopak trpí torzním namáháním, které může způsobovat protáčení předpjatých součástí během provozu a vést k nadměrnému opotřebení a snížení pracovního zatížení. Použitím vícezávitové vlnové pružiny je možné dosáhnout velmi nízké tuhosti s mimořádně plochou deformační křivkou, a tím prodloužení životnosti mechanické ucpávky. Oproti talířovým pružinám, které kvůli okrajovému kontaktu způsobují masivní opotřebení, mají vlnové pružiny široké radiální stěny a ploché konce nabízející velkou opěrnou plochu. Další výhodu představují konstrukční detaily: Vlnové pružiny jsou vyrobeny z jednoho kusu drátu, takže není potřeba více pružin. Vlnové pružiny také nemají žádné svařovaná místa, která mohou při dynamickém namáhání prasknout – jak se často stává u svařovaných a ražených podložek. U ucpávek vyžadujících odolnost vůči korozi je možné jako materiál specifikovat korozivzdornou ocel nebo jiné materiály, např. Hastelloy C276.
- Vrtné nástroje. Spirálově vinuté vícezávitové vlnové pružiny mohou sloužit k předpínání kotvicích zařízení vrtných nástrojů používaných k ukotvení nástroje do stěny vrtu během použití. Funguje to následovně: Po zajištění dobrého záběru kotvicího zařízení ve stěně vrtu musí být zatížena patka posuvných částí, aby se neuvolnily pohybem, ke kterému dochází při zatěžování nástroje. K tomuto zatížení se tradičně používají vinuté pružiny, ale v mnoha případech jsou lepší alternativou vícezávitové vlnové pružiny v provedení se vzájemně posunutými vrcholy vln. Použitím vlnových pružin je možné dosáhnout značné úspory místa v axiálním směru, a tím i kompaktnější konstrukce nástroje a nižších materiálových nákladů. Kromě úspory místa zajišťují vlnové pružiny konzistentnější zatížení v průběhu požadovaného chodu než běžné vinuté pružiny. Jako materiály vlnových pružin pro prostředí s vysokými teplotami a korozivními elementy jsou k dispozici slitiny jako Inconel a Elgiloy.
Vlnové pružiny zvládají cílené zatížení na malém prostoru
V některých aplikacích je příliš málo místa na tradiční vinuté pružiny, které mohou být poněkud objemné. V takových případech se k zajištění požadovaného předpětí v těch i nejmenších prostorech hodí vlnové pružiny.
Ultrazvukové motory. Motory měřící na délku pouhých pár
milimetrů se používají v celé řadě aplikací, od automatického zaostřování
čoček fotoaparátů po hlavové opěrky a zrcátka u automobilů. I sofistikované
chirurgické nástroje a robotická zařízení běžně využívají miniaturní motory.
Podívejme se na ultrazvukový motor používaný u automatického zaostřování.
V této aplikaci se používá jednozávitová vlnová pružina, která udržuje
přítlak na stator, a tím drží rotor na jeho místě bez použití vrutů nebo
šroubů. U tohoto miniaturního systému je vlnová pružina lepší volbou než
pružina vinutá nebo talířová, protože má malou hmotnost, kompaktní velikost a
schopnost zvládat malé až střední zatížení.
Vlnové pružiny mohou sloužit k předpínání ložisek, omezování axiální vůle a minimalizaci vibrací
Použití trvalého axiálního zatížení u sestavy ložiska je důležité pro bezpečnou a správnou instalaci. Předepnutí ložiska prodlužuje životnost součástí díky odstranění nadbytečných vůlí, dosažení vysoké tuhosti a omezení hluku a vibrací.
- Vodní čerpadla dieselových motorů. Ve velkých dieselových motorech, například u lokomotiv, se často používají odstředivá čerpadla. Během několika posledních let dochází k jejich vylepšování zaměřenému na prodloužení životnosti a omezení potřeby údržby čerpadel. Použití vlnových pružin namísto vinutých nebo talířových pružin se ukázalo jako efektivní způsob, jak pomoci zachovat výkon ložisek a prodloužit celkovou životnost čerpadel. Vlnové pružiny se zde montují do skříně čerpadel, okolo hřídele, a zajišťují vzájemně skříň a stranu pohonu u ložiska na zadní straně oběžného kola. Předpjatá vlnová pružina pomáhá snižovat velká osová zatížení působící na kuželíkové ložisko díky pohlcování části zpětných rázů. Kromě toho vlnová pružina pomáhá udržovat ložiska na jejich místě a snižovat potenciálně škodlivé vibrace.
- Hydraulické systémy. V hydraulických systémech se často používají pojistné kroužky, které zajišťují kryty a eliminují potřebu přivaření nebo přišroubování součástí – a tím umožňují rychlejší a snadnější opravy v terénu. Při použití vlnové pružiny mezi krytem a vnitřní hadicí dochází ke vzájemnému předepnutí vnitřních součástí a odstranění axiální vůle. Eliminace tohoto nadměrného pohybu pomáhá prodloužit životnost součástí a celých zařízení.
