Wewnętrzna wibracja sprężyn

W inżynierii mechanicznej sprężyny napinające i ściskające są ważną częścią projektowania systemów mechanicznych, zastosowań i użytków. Właściwości sprężyn, takie jak ich siła powrotna i stała sprężyny, wpływają na wydajność i funkcjonalność maszyn. Aby zrozumieć te właściwości i mechanizm wibracji układów sprężynowych, w tym artykule przyjrzymy się fizycznym relacjom między systemami sprężynowymi i relacji między częstotliwością naturalną a rezonansem.

Własności fizyczne sprężyn

Sprężyny napinające i ściskające, zwane po prostu sprężynami, są jednym z najważniejszych elementów w systemach mechanicznych. Mają zdolność rozciągania i ściskania, co umożliwia im magazynowanie energii kinetycznej. Energia ta jest uwalniana, gdy sprężyna powraca do pierwotnego kształtu.

Właściwości fizyczne sprężyn zależą od różnych czynników. Najważniejsze to materiał, z którego wykonane są sprężyny, ich kształt i rozmiar, a także sposób, w jaki się je naciąga. Ponadto czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura i wilgotność, mogą wpływać na właściwości sprężyn.

Wewnętrzna wibracja sprężyn zależy od ich właściwości fizycznych. Należą do nich gęstość, moduł sprężystości, tłumienie drgań i sztywność. Na wewnętrzną wibrację sprężyn wpływa również rodzaj zastosowania.

Harmonijne wibracje

Harmonijne wibracje są to wibracje nietłumione, w których siła powrotna jest proporcjonalna do siły naciągania sprężyny.

Gdy sprężynę odchyli się od położenia równowagi, a następnie zwolni, zaczyna wibrować. Wibracje te są harmonijne, gdy siła powrotna, tj. siła działająca w kierunku położenia równowagi, jest zawsze proporcjonalna do odchylenia. Harmonijne wibracje mają stałą częstotliwość i nie zatrzymują się same po początkowym przyłożeniu siły zewnętrznej.

Wibracje tłumione

W rzeczywistości wibracje sprężyn, na przykład, są zasadniczo tłumione, ponieważ z czasem słabną z powodu czynników zewnętrznych, takich jak tarcie lub opór powietrza. Oznacza to, że amplituda wibracji stopniowo maleje, aż w końcu wibracja ustanie. Okres oscylacji jest zatem redukowany przez tłumienie sprężyny, w zależności od jej właściwości fizycznych.

Tłumienie wpływa na wewnętrzną wibrację sprężyny powodując straty energii podczas wibracji. Kiedy sprężyna wibruje, uwalnia energię z powodu tarcia i innych czynników. Powoduje to stopniowe zmniejszanie się wibracji. Tłumienie zmienia zachowanie wibracji sprężyny poprzez zmniejszenie częstotliwości i amplitudy drgań. Oznacza to, że tłumione wibracje są znacznie mniej podatne na rezonans.

Aby zrozumieć zjawisko wewnętrznej wibracji tłumionej sprężyny, należy wziąć pod uwagę jej właściwości tłumiące. Na tłumienie mogą mieć wpływ różne czynniki, takie jak kształt sprężyny, materiał i środowisko, w którym jest używana.

Do tłumienia służą także, obok sprężyn, amortyzatory przemysłowe.

Stała sprężyny jako parametr decydujący

Znaczenie częstotliwości naturalnej

Wibracja wewnętrzna lub naturalna częstotliwość układu mechanicznego opisuje częstotliwość, z jaką układ ten wibruje po pojedynczym pobudzeniu z zewnątrz. Mechanizm wewnętrznej wibracji sprężyn jest ważny, aby zrozumieć charakterystykę wibracji układów mechanicznych.

Gdy sprężyna jest zintegrowana z układem mechanicznym, może wpływać na jego zachowania wibracyjne. W przypadku wahadła sprężynowego częstotliwość naturalna zależy od stałej sprężyny k i masy m korpusu wahadła.

Na podstawie równania wibracji do obliczenia naturalnej częstotliwości sprężyny można użyć następującego wzoru:

Rezonans w układzie sprężynowym

Rezonans jest ważnym zjawiskiem mechanicznym i może występować przy wielu zastosowaniach. Ważne jest, aby zrozumieć, jak powstaje rezonans i jaki ma wpływ na optymalizację wydajności układów sprężynowych. W projektowaniu częstotliwości naturalne i rezonanse układów sprężynowych mają większe znaczenie, jeśli chodzi o wynikające z nich konsekwencje dla stabilności i bezpieczeństwa zastosowań.

Rezonans występuje, gdy siła zewnętrzna działająca na system sprężynowy odpowiada naturalnej (wewnętrznej) częstotliwości sprężyny. Po osiągnięciu tej częstotliwości system zaczyna wibrować z największą możliwą amplitudą. To się nazywa rezonans.

Załóżmy, że zastosowanie składa się z podajnika drgań zamontowanego na śrubach podnośnika z mechanizmem sprężynowym. W takim przypadku może wystąpić efekt rezonansowy, jeśli częstotliwość podajnika drgań jest zbliżona do naturalnej częstotliwości śrubach podnośnika z mechanizmem sprężynowym. Ten efekt rezonansu może ostatecznie spowodować dalsze zwiększenie amplitudy drgań zastosowania, a jej stabilność i bezpieczeństwo nie są już zapewniane.

Skutki rezonansu w układzie sprężynowym mogą być bardzo poważne. Jeśli system sprężynowy wibruje zbyt mocno, może to spowodować uszkodzenie konstrukcji lub nieprzewidywalne ruchy.

Można zatem stwierdzić, że rezonansów w konstrukcji należy generalnie unikać.

• Wszystkie naturalne częstotliwości różne = DOBRZE
• Wszystkie naturalne częstotliwości równe = ŹLE

Jak można zapobiec rezonansowi

Ustaliliśmy już, że ważnym czynnikiem wystąpienia w zastosowaniu niepożądanego rezonansu jest częstotliwość naturalna. Jaki można to spożytkować w praktyce?

1. Określenie częstotliwości drgań planowanego zastosowania.

   Częstotliwość drgań danego zastosowania powinna być zawarta w projekcie (np. w danych technicznych zastosowania). W rezultacie odpowiednie sprężyny można wybrać w następujących krokach.

2. Określenie częstotliwości naturalnej wybranej sprężyny.

   Wstawiając właściwą częstotliwość naturalną do równania drgań (patrz wzór obliczeniowy częstotliwości naturalnej) można określić stałe sprężyn, które nadają się z punktu widzenia częstotliwości drgań planowanego zastosowania.

3. Dalsze tłumienie wibracji.

   W niektórych przypadkach może być konieczne dodatkowe tłumienie drgań sprężyny za pomocą materiałów tłumiących (np. amortyzatorów PU) w celu dalszego zmniejszenia niepożądanych wibracji lub hałasu. Tłumiony układ sprężynowy redukuje wibracje do akceptowalnego poziomu i zwiększa stabilność i bezpieczeństwo zastosowań.

Jakie inne środki służą do tłumienia wibracji?

Jedną z opcji jest użycie odpowiedniej sprężyny do tłumienia zastosowania. Sprężyna może wchłonąć wibrujący ruch i przekształcić go w energię cieplną, tłumiąc w ten sposób wibracje. Ta zasada jest często stosowana w pojazdach, w których amortyzatory wykonane ze sprężyn są używane do amortyzacji drgań na drodze.

Amortyzatory to kolejny sposób tłumienia wibracji. W przeciwieństwie do sprężyn, amortyzatory przekształcają energię kinetyczną bezpośrednio w energię cieplną, zmniejszając w ten sposób zakres ruchu znacznie szybciej niż sprężyny.

Bardziej nowoczesnym przykładem skutecznego tłumika drgań jest tłumik PU (poliuretanowy). Ten rodzaj materiału nie tylko pochłania wibracje dzięki swoim elastycznym właściwościom, jak inne materiały, ale ma również doskonałe właściwości amortyzujące i wysoką odporność na ścieranie i zużycie w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami gumowymi.