Стержневые пружины кручения применяются для восприятия крутящего момента, прилагаемого к торцу пружины. Под действием крутящего момента витки подвергаются изгибу в плоскости действия момента и, в незначительной степени, кручению, влияние которого не принимают во внимание.
Для восприятия рабочего и реактивного крутящего момента на торцах пружины предусматривают упоры (рис. 896). Пружины работают устойчивее, если рабочий момент скручивает пружину (рис. 896, II), а не раскручивает (рис. 896, I). Соответственно следует выбирать направление навивки и расположение упоров. При крутящем моменте, направленном по часовой стрелке (если смотреть на торец пружины), навивка должна быть левой, и наоборот.
Пружины кручения навивают вплотную или с небольшим запором между витками во избежание трения между витками, а также с учетом деформации пружины при скручивании.
На рис. 897, I—ХVIII изображены основные способы заправки концов пружин для восприятия крутящего момента.
При установке пружина должна быть центрирована. Центрирование по всей длине пружины (рис. 898, I) нежелательно, так как диаметр пружины при скручивании уменьшается (при соблюдении изложенного выше правила направления навивки), и витки пружины ложатся на центрирующий штырь. Лучше всего центрировать крайние витки пружины (рис. 898, II) на длине не менее полутора — двух диаметров проволоки. При плотном центрировании опорные витки должны рассматриваться как нерабочие.
Пользуясь свойством уменьшения диаметра при скручивании, можно придать пружине переменную жесткость путем введения профильных центрирующих элементов. В конструкции на рис. 898, III центрирующей втулке придана форма конуса. По мере закручивания витки пружины последовательно ложатся на конус, вследствие чего жесткость пружины с увеличением угла закручивания возрастает. Пружины кручения рассчитывают по следующим формулам.
Максимальное напряжение изгиба в витках пружины
где М — крутящий момент; Wв — момент сопротивления изгибу.
Для круглой проволоки диаметра d
Для проволоки квадратного сечения со стороной квадрата (а)
Коэффициент
где с — индекс пружины (с = D/d = D/a).
График зависимости коэффициента k от с показан на рис. 899.
Допускаемые напряжения изгиба на 20—30% больше допускаемых напряжений кручения в пружинах сжатия. В среднем [σ] = 500—750 МПа.
Угол закручивания пружины определяется из следующих выражений:
— для проволоки круглого сечения
где Е — модуль упругости первого рода; i — число рабочих витков;
— для проволоки квадратного сечения
Приведенные формулы не учитывают упругой деформации упорных концов пружины.
Предельно допустимый из условия устойчивости пружины угол закручивания
Потенциальная энергия, накапливаемая пружиной при закручивании,
где ϕ — угол, рад.
Длина рабочей части пружины в свободном состоянии (без учета длины упорных концов)
где δ — зазор между витками.
Увеличение длины пружины при закручивании
где α — угол наклона витков пружины, определяемым из выражения
(δ – зазор между витками); ϕ — угол, рад.
Увеличение числа витков при закручивании
Уменьшение диаметра пружины при закручивании определяется из условия равенства длины проволоки до и после закручивания:
где D’ — диаметр пружины после закручивания.
Отсюда
Длина развертки пружины
где l — развернутая длина упорных концов пружины.
Приближенно можно считать, что
На рис. 900 показаны способы изображения характеристик пружины кручения (в двух вариантах).