Primăvara cupei

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Primăvara cupei

Termenul arcului cupei indică o componentă mecanică (cunoscută și sub numele de șaibă Belleville [1] , arc cu șaibe conice [2] , arc disc sau arc Belleville) placă concavă de formă rotundă, care poate fi încărcată în direcția axială și poate fi solicitat atât static cât și dinamic. Prin urmare , un arc disc este un tip de spălare și în formă de arc . Forma particulară trunchiată - conică conferă șaibei aceleași caracteristici ca un arc.

Numele „Belleville” provine de la inventatorul Julien Belleville care în 1867 a brevetat la Dunkerque , Franța, o combinație de arcuri care conținea deja principiul arcurilor cu discuri al căror inventator, prin urmare, rămâne necunoscut [3] .

De-a lungul anilor, au fost dezvoltate diferite profiluri de arcuri de disc; până în prezent cele mai utilizate două profiluri sunt cele cu și fără suprafețe de susținere, în timp ce altele, cum ar fi arcurile trapezoidale, au căzut în uz.

Particularități și utilizări

Vedere în secțiune a unei mine antitanc M4 (circa 1945) care prezintă arcul Belleville din oțel în mecanismul cu fuze .
Decupare a unei mine antipersonal M14 , unde puteți vedea percutorul montat în centrul unui arc de plastic

De-a lungul anilor, cererea de precizie din ce în ce mai mare în calibrări, disponibilitatea mai mare a materialelor noi, mai performante și rafinarea metodelor de calcul, arcul discului a găsit o utilizare extinsă în practic toate domeniile tehnologice, de la construcția de mașini, până la cel al clădirilor, la cel al armelor și așa mai departe. În diverse domenii, indiferent dacă sunt folosite ca arcuri sau utilizate pentru a aplica o preîncărcare la structurile și rulmenții șuruburilor , șaibele Belleville sunt utilizate atât individual, cât și ca un teanc de arcuri. Într-un teanc, mai multe arcuri pot fi suprapuse individual sau mai multe pachete constând din mai multe arcuri dispuse în aceeași direcție.

Principalele caracteristici care disting izvoarele de disc includ [4] :

  • Capacitate mare de absorbție a sarcinii într-un spațiu mic,
  • Posibilitatea de a obține, datorită aranjamentului diferit al șaibelor Belleville, o curbă de sarcină liniară sau degresivă caracteristică și, printr-o dispunere adecvată, chiar progresivă,
  • Rezistență ridicată la oboseală sub sarcină dinamică, dacă este dimensionată corect,
  • Tendință scăzută la deformare, de fapt, dacă nu sunt depășite tensiunile permise, nu se produce relaxare,
  • Posibilitatea obținerii unei histerezisuri ridicate (amortizare), datorită faptului că pot fi stivuite unele peste altele în aceeași direcție, adică aranjate în paralel,
  • Faptul că datorită formei simetrice, sarcina este transmisă concentric în rotație.

Aceste proprietăți avantajoase înseamnă, așa cum s-a menționat, că arcul discului poate fi utilizat în diverse sectoare, dintre care câteva exemple sunt enumerate mai jos.

În domeniul militar, izvoarele Belleville sunt utilizate, de exemplu, în diferite tipuri de mine terestre, cum ar fi americanul M19, M15, M14, M1 și suedezul Tret-Mi.59. Când ținta (o persoană sau un vehicul) exercită o astfel de presiune asupra arcului cupei, încât depășește pragul de declanșare și că pistolul conectat la acesta ajunge la detonator, atunci se declanșează și amplificatorul din jur și, în cele din urmă, explozivul.

Unii producători de obloane rotative (denumite și cu șuruburi, de la numele englezesc) folosesc un teanc de arcuri de disc în interiorul obturatorului în locul unui arc elicoidal mai tradițional pentru a obține o eliberare mai rapidă a percutorului. , reduce timpul dintre acționarea grundului și impactul arzătorului pe cartuș [5] .

În domeniul mecanic, acest tip de arcuri este utilizat, de exemplu, în dispozitivele de blocare, chiar dacă numai în aplicații cu sarcini dinamice reduse, cum ar fi pârghiile schimbătorului de viteze montate pe tubul de jos al bicicletelor.

Datorită faptului că oferă o posibilitate de reglare extrem de precisă, șaibele Belleville sunt utilizate ca element de absorbție a șocurilor în domeniul auto, chiar și în formula 1 [6] și în mașinile aeronautice: în modelele de aeronave din seria Cirrus SR2x un set de arcuri de discuri este folosit pentru a amortiza oscilațiile angrenajului nasului în timpul aterizării [7] .

În domeniul construcțiilor, în Japonia s-au experimentat stive de arcuri uriașe de cupă ca amortizoare de zgârie-nori pentru a le face mai sigure din punct de vedere antisismic [8] .

Stivuire

După cum sa menționat anterior, șaibele Belleville pot fi stivuite pentru a modifica constanta de elasticitate (sau rigiditatea) sau cursa grămezii (care la rândul său acționează ca un arc) rezultată. Stivuirea arcurilor în aceeași direcție face ca constanta de elasticitate a arcului rezultat să fie egală cu suma constantelor de elasticitate a tuturor arcurilor cu disc stivuite (exact ca în cazul arcurilor elicoidale dispuse în paralel), acest lucru va duce la crearea a unui arc mai rigid (cu aceeași cursă). O stivuire a arcurilor cu discuri în direcții alternative duce la același efect ca aranjarea arcurilor elicoidale în serie, de fapt se obține un arc cu o constantă elastică mai mică și, sub aceeași sarcină, cu o cursă mai mare.

Posibilitatea de a aranja alternativ stive de arcuri de disc aranjate în aceeași direcție și, astfel, de a obține stive de stive de arcuri, înseamnă că valorile de rigiditate și cursă ale arcului rezultat pot fi proiectate ad hoc pentru fiecare ocazie.

În general, dacă „n” arcuri de cupă sunt aranjate în paralel (orientate în aceeași direcție), sub aceeași sarcină cursa întregului teanc va fi egală cu cursa unui arc unic de cupă împărțit la numărul de arcuri, în consecință pentru ca pentru a obține aceeași cursă va fi necesar să se aplice pe întreaga grămadă o sarcină egală cu „n” ori mai mare decât cea aplicată unui singur arc. Pe de altă parte, în cazul arcurilor cupe stivuite în serie (orientate în direcții alternative), sub aceeași sarcină cursa întregului teanc va fi egală cu cursa unui arc unic cupă înmulțit cu numărul de arcuri, în consecință pentru a obține aceeași cursă va fi necesar să se aplice pe întreaga grămadă o sarcină egală cu cea care trebuie aplicată unui singur arc împărțit la „n”.

Considerații privind performanța

În cazul unui teanc de arcuri paralele, histerezisul, adică pierderile de sarcină, se datorează fricțiunii dintre arcurile unice care alcătuiesc teancul. Astfel de pierderi pot fi avantajoase în unele sisteme în care datorită amortizării există o disipare a energiei impresionate sau eliberate de vibrații și pot fi calculate utilizând metode de histerezis. Cu toate acestea, în general, se recomandă să nu aveți mai mult de 4 arcuri de disc în paralel și, dacă este necesară o sarcină mai mare, este necesar să creșteți coeficientul de siguranță pentru a compensa pierderea de sarcină din cauza fricțiunii. Fricțiunea dintre arcurile aranjate în serie poate fi considerată în schimb irelevantă.

În cazul arcurilor cu disc unic aranjate în serie, cursa nu este tocmai proporțională cu numărul arcurilor suprapuse. Acest lucru se datorează unei deformări (definite ca efectul „coborârii”) care apare atunci când șaibele Belleville sunt reduse la aplatizare. De fapt, suprafața de contact dintre arcuri crește atunci când cursa lor depășește 95% din cursa maximă. Acest lucru duce la scurtarea brațului pârghiei și la o creștere corespunzătoare a sarcinii. Spre deosebire de aranjamentul paralel, numărul arcurilor de disc aranjate în serie nu este o problemă, deși, în general, se recomandă să nu creați stive de arcuri care sunt mai mari de 3 ori diametrul exterior al arcului de disc. Dacă o lungime mai mare nu poate fi evitată, stiva trebuie împărțită în mai multe stive parțiale cu ajutorul discurilor adecvate.

După cum s-a menționat, un avantaj oferit de arcurile cu discuri este că arcurile de diferite grosimi pot fi schimbate în interiorul stivei, ceea ce permite atingerea unui număr practic infinit de valori ale constantei elastice (sau a ratei arcului) ocupând spațiu foarte mic într-un cutia de instrumente a tehnicianului. Acestea sunt ideale în situațiile în care este necesară o forță elastică mare la o înălțime liberă mică și, prin urmare, o mică compresie disponibilă înainte de a se atinge aplatizarea. Cu toate acestea, un aspect negativ este dat de greutate și de faptul că cursa maximă a acestora este destul de limitată în comparație cu un arc elicoidal comun de aceeași înălțime.

Șaibele cu valuri pot acționa și ca arc, dar, pentru aceeași dimensiune, nu produc aceeași forță de arc ca o mașină de spălat Belleville și, mai presus de toate, nu pot fi aranjate în serie.

Arcuri cu cupă cu suprafețe de sprijin și grosime redusă

În cadrul standardului DIN 2093, pe lângă rotunjirea marginilor, introducerea unor suprafețe mici de sprijin în punctele I și III, adică în punctul de aplicare a sarcinii și în punctul de sprijin al arcului. Datorită acestui expedient, punctul de introducere a sarcinii este mai bine definit și, mai ales în cazul arcurilor suprapuse, fricțiunea cu elementele de ghidare este redusă. Acest lucru duce, de asemenea, la o scurtare a brațului pârghiei și la o creștere consecventă a sarcinii, care este la rândul său compensată de o reducere a grosimii discului.

Această nouă grosime, numită grosime redusă, trebuie să se asigure că arcul îndeplinește următoarele condiții [4] :

  • Înălțimea arcului trebuie să rămână neschimbată,
  • Lățimea coroanei circulare, adică a suprafeței de sprijin, trebuie să fie de aproximativ 1/150 din lungimea diametrului exterior,
  • Sarcina care trebuie aplicată arcului cu grosime redusă pentru a obține o cursă egală cu 75% din înălțimea liberă trebuie să fie aceeași cu cea care se aplică arcului cu grosime redusă.

Deoarece, așa cum s-a menționat, înălțimea arcurilor nu trebuie să se schimbe față de original, rezultă că arcurile cu grosime redusă și cu suprafețe de susținere au unghiuri interne diferite și, în consecință, curbe caracteristice și corelație sarcină-cursă a întregului. altele decât arcurile nereduse corespunzătoare.

Calcul

Din 1936, anul în care JO Almen și A.Làszlò au publicat o metodă de calcul simplificată [9] , s-au succedat modele din ce în ce mai complexe și corecte, pentru a se asigura că arcurile discurilor cu plăci de susținere. Deși există până acum metode mai precise [10] , procedura relativ simplă descrisă în DIN 2092 este utilizată aproape exclusiv.

Având în vedere un arc cu diametru exterior , diametru intern , înălțimea l și grosimea t , și fiind înălțimea liberă, adică diferența dintre înălțime și grosime, sunt definiți următorii coeficienți:

Ecuația sarcinii F care trebuie aplicată unui arc de cupă pentru a obține o cursă (sau săgeată) s este [11] :

Se poate observa că în cazul arcurilor Belleville cu grosime constantă, deci cu o valoare a grosimii t ' egală cu t , valoarea este egal cu 1.

Trebuie spus că, în ceea ce privește arcurile cu discuri cu suprafețe de susținere și grosime redusă, un articol publicat în iulie 2013 a arătat că expresia definit în standardele sectoriale nu este corect și înseamnă că, de fapt, orice grosime redusă este considerată valabilă și acest lucru este, desigur, imposibil. Prin urmare, acest articol propune înlocuirea cu noul parametru care ia în considerare, nu numai relația dar și a valorii unghiurilor interne ale arcului [12] .

În ceea ce privește valoarea constantei de elasticitate sau a ratei arcului, valoarea sa este definită ca:

Stivă de arcuri de disc în configurație 2-3-1-2

Trecând în evidență efectele cauzate de frecare și deformare, această constantă pentru o stivă formată din arcuri de disc identice poate fi convenabilă aproximativ pornind de la valoarea constantei arcului unic. Pornind de la un capăt al stivei, este suficient să grupați numărul de discuri adiacente dispuse în paralel. În teancul prezentat în dreapta, de exemplu, gruparea va fi de tip 2-3-1-2, deoarece există un pachet format din 2 arcuri în paralel, apoi există unul din 3, apoi un singur arc și apoi un pachet de 2.

Constanta elastică a întregului teanc poate fi calculată ca:

Unde este:

  • = numărul de arcuri din pachet
  • g = numărul de pachete
  • k = constanta unui singur arc

Prin urmare, o stivă de 2-3-1-2 (sau, fiind operația comutativă, 3-2-2-1) are o constantă de elasticitate egală cu 3/7 din cea a arcului cu disc unic. Cele 8 arcuri obișnuite pot fi aranjate în diferite configurații: 3-3-2 (K = 6/7 k), 4-4 (K = 2 k), 2-2-2-2 (K = 1/2 k) și altele. Numărul de combinații unice în care pot fi aranjate arcuri „n” este definit de legea partiției unui întreg și crește cu n , oferind posibilitatea de a obține valoarea dorită pentru constanta de elasticitate.

Standard

  • DIN 2092 - Arcuri cu disc - Calcul
  • DIN 2093 - Arcuri cu disc - Specificații de calitate - Dimensiuni
  • DIN 6796 - Șaibe de arc conice pentru conexiuni cu șurub [2]

Notă

  1. ^ Joseph Edward Shigley, Charles R. Mischke și Thomas H. Brown, Manual standard de proiectare a mașinilor , 3rd, McGraw-Hill Professional, 2004, p. 640, ISBN 978-0-07-144164-3 .
  2. ^ a b Carroll Smith , Nuci, șuruburi, elemente de fixare și instalații sanitare de la Carroll Smith , MotorBooks / MBI Publishing Company, 1990, p. 116, ISBN 0-87938-406-9 .
  3. ^ VB Bhandari, Design of Machine Elements , 3rd, Tata McGraw-Hill, 2010, p. 441, ISBN 978-0-07-068179-8 .
  4. ^ a b Schnorr Handbook , Schnorr, 2016. Accesat la 2 octombrie 2016 (arhivat din original la 3 octombrie 2016) .
  5. ^ Actionclear Modern Rifles .
  6. ^ Infiniti Red Bull RB10 Renault .
  7. ^ Manual de întreținere a avionului Cirrus ( PDF ), Cirrus, 2014, p. 32.34. Accesat la 2 octombrie 2016 (arhivat din original la 3 octombrie 2016) .
  8. ^ Takashi Nakamura, Tetsuo Suzuki și Arihide Nobata, Studiu asupra caracteristicilor de răspuns la cutremur ale clădirii izolate de bază folosind amortizoarele de frecare cu arcuri cu discuri conice ( PDF ), Proceedings of the 10th Earthquake Engineering Symposium, 1998, p. 2901-2906.
  9. ^ JO Almen și A. Làszlò, Spring -section disk spring , ASME 58, 1936, p. 305-314.
  10. ^ Graziano Curti și M. Orlando, Un nou calcul al arcurilor cu disc inelare conice , Wire (28) 5, 1979, p. 199-204.
  11. ^ DIN 2092: Arcuri cu disc - Calcul , DIN, 2006.
  12. ^ Giammarco Ferrari, O nouă metodă de calcul pentru arcurile cu disc Belleville cu plăci de contact și grosime redusă , IJMMME 3 (2), 2013.

Elemente conexe

Alte proiecte

Mecanică Portalul mecanicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de mecanică