Opruga

Opruga ili feder (nem. Feder) je mašinski element koji se koristi za ostvarivanje elastičnih spojeva. Pod djelovanjem sile dolazi do deformacije opruge, a po prestanku djelovanja sile vraćaju se u prvobitni položaj. Namena opruga je vrlo raznolika. Mogu služiti za privremeno spremanje (akumulaciju) mehaničke energije, za ublažavanje udara (amortizer), za merenje sile i druge namene.

Spiralna opruga

Dva broša željezne kulture: Laten (1. vek p. n. e.) i iz Rima (4. vek)

Spiralna opruga na balansnom točku mehaničkog sata

Torzijska opruga ili opruga opterećena na uvijanje

Slojevite lisnate opruge na vozu

Zavojna opruga savijanja u mišolovci

Tanirasta opruga

Drvena štipaljka (štipalica, kvačica) sa zavojnom oprugom savijanja (opterećenje na savijanje)

Prstenaste opruge u odbojniku željezničkih vagona i vozila (otvoren za prikazivanje)

Opruga je izrazito elastičnih svojstava, koji prilikom deformacije (promene oblika) preuzima mehanički rad u obliku akumulirane potencijalne energije, a koji u određenom trenutku može osloboditi povratkom u početni položaj. Mehanički rad pretvaraju u potencijalnu energiju, a nju opet nazad u mehanički rad, to jest opruge akumuliraju rad. Služi za ublažavanje udaraca (na vozilima, osovinskim spojnicama), za akumuliranje mehaničkog rada (u mehaničkim satovima, dečjim igračkama), za povrat pokreta (kod ventila ili polužja), za ograničenje sile (na momentnim ključevima za zavrtanje), za merenje sile (kod dinamometara), za regulaciju podizaja (kod regulacijskih ventila), kao oscilacioni deo i u mnoge druge svrhe. Opruge se dele prema obliku (lisnate, tanjiraste, prstenaste, cilindrične zavojne, konične zavojne, spiralne), preseku (kvadratne, plosnate, okrugle i drugo), opterećenju (istezne, pritisne, opterećene na savijanje ili uvijanje). Materijal od kojeg se izrađuju najčešće je posebna vrsta čelika za opruge, koji je elastičan i jako žilav (čelik za opruge). Za specijalne namene upotrebljavaju se legirani čelici: nerđajući, antimagnetski, a sasvim izuzetno i drugi metali, te i nemetali, na primer kompozitni materijali.

Opruga je elastični mašinski deo koji pod uticajem spoljašnjih sila akumulira energiju, te je nakon rasterećenja vrati u obliku potencijalne energije, čitavu ili umanjenu. U praksi se opruge upotrebljavaju za različite namjene. Neki od najčešćih primera upotrebe su:

• akumulacija energije (opruge za pogon mehanizma u satu i u igračkama),
• prigušenje ili amortizacija udaraca i vibracija (torzijske opruge u cestovnim vozilima), odbojnici železničkih vozila, za vešenje točaka, elastične spojnice,
• kao povratni deo (opruge u ventilima, spojnicama, mernim instrumentima),
• merenje ili ograničenje sila (vaga s oprugom ili dinamometar, presa),
• raspodjela sila (oruđa za učvršćivanje, željeznička i cestovna vozila),
• opruge za zatezanje.

Istorija

Jednostavne nezavojne opruge su se koristile kroz istoriju čovečanstva, kao recimo luk i strela. U bronzanom dobu se počinju koristiti složenije opruge, kao na primer pinceta ili kliještica. Ktesibije Aleksandrijski je pravio bronzane opruge, s povećanim sadržajem kalaja, koje su imale dobra elastična svojstva.

Prve zavojne opruge su se pojavile u 15. veku. Prvi sat s torzijskom oprugom za navijanje se pojavljuje u 16. veku. Godine 1676. britanski fizičar Robert Huk otkriva zakonitosti u radu opruga, kod njihovog istezanja i sabijanja, što se danas naziva Hukov zakon.

Hukov zakon

Glavni članak: Hukov zakon

Većina opruga koje nisu rastegnute i stisnute preko granice elastičnosti (približno) prate Hukov zakon, pa se tako pri proračunima smatra da je sila kojom se opruga opire pritisku linearno proporcionalna promjeni dužine opruge:

$F=-kx,\$

gdje je

x vektor pomjeranja - daljina i smjer u kojem se opruga deformira

F vektor rezultantne sile - magnituda i smjer povratne sile koju opruga vrši

k je konstanta opruge ili konstanta sile opruge, data u N/m.

Opruge u obliku zavojnice i drugi česti oblici uglavnom poštuju Hukov zakon. Kod nekih tipova, posebno pri savijanju, sile su nelinearne i Hukov zakon ne vrijedi.

Karakteristika i rad opruge

Pod karakteristikom opruge razumeva se kriva koja prikazuje međusobnu zavisnost njenog opterećenja (sila) i deformacije (produljenje ili skraćenje). Ako se zatezna, pritsna ili savojna opruga opterete silom F, hvatište sile napravi put s koji se naziva progib. Slično tome, opruge opterećene torzijskim momentom T zakreću se za ugao α koji se naziva zakretanje opruge. Progib i ugao zakreta se zajedničkim imenom nazivaju opruženje. Zavisnost opruženja od opterećenja naziva se karakteristika opruge, a može biti linearna, progresivna ili degresivna. Karakteristika opruge definirana je odnosom prirasta opterećenja i opruženja koji se naziva krutost opruge. U oprugama s linearnom karakteristikom krutost opruge je konstantna veličina i naziva se konstanta opruge:

$c={\frac {F}{s}}\$

$c_{t}={\frac {T}{\alpha }}\$

gde je: c - krutost opruge za zatezne, pritisne i savojne opruge (N/mm), c_t - krutost opruge za torzijske opruge (Nmm/rad), F – opterećenje opruge ili sila (N), s – progib opruge (mm), T – torzijski moment opruge (Nmm) i α – zakretanje opruge (rad).

Prilikom opterećenja opruge silom F ili momentom torzije T, u opruzi se akumulira radnja opruge. Opruga prilikom rasterećenja predaje akumuliranu radnju umanjenu za udeo unutrašnjeg trenja u materijalu opruge. U praksi se često susreću primeri kada je u pojedinom sklopu istovremeno ugrađeno više opruga koje su povezane u takozvani „sastav opruga”, čime se omogućuje tražena funkcija tog sklopa. Pojedine opruge mogu biti povezane u sastav opruga na različite načine:

• paralelni sastavi opruga; opruge su ugrađene tako da se ukupna sila raspoređuje na pojedine opruge, pri čemu je progib svih opruga jednak.
• serijski sastavi opruga; opruge su ugrađene tako da na pojedine opruge deluje jednako velika sila F. Progibi pojedinih opruga uopšteno nisu jednaki, te su zavisni o konstantama opruge.
• kombinovani sastavi opruga; u kombinovanim sastavima opruga, opruge su u različitim kombinacijama ugrađene paralelno i serijski.

Proračun opruga

Kako se opterećenje opruga meri silom F, a deformacija progibom, odnosno elongacijom ili kontrakcijom f, odnosno momentom sile M i uglom uvijanja φ, to je karakteristika opruge ili takozvana njezina krutost c određena izrazom:

$c={dF \over df}$

odnosno:

$c={dM \over d\phi }$

Krutost se meri u N/mm, odnosno Nm/radijan i prestavlja silu, koja uzrokuje deformaciju opruge za jedinicu duljine, odnosno luka. Ta se vrednost zove i specifična ili jedinična sila. Već prema tome da li je c = konstanta, raste ili opada s opterećenjem, karakteristika opruge je pravac, progresivna (rastuća zakrivljena) ili degresivna krivulja (opadajuće zakrivljena).

Mehanički rad A predan opruzi za dve vrste opterećenja iznosi:

$A=\int _{0}^{f}F\cdot \mathrm {d} f$

odnosno:

$A=\int _{0}^{\phi }M\cdot \mathrm {d} \phi$

a specijalno, kad su karakteristike opruge ravne, jednačinama:

$A={\frac {F\cdot f}{2}}$

odnosno:

$A={\frac {M\cdot \phi }{2}}$

Mehanički rad A’ što ga opruge predaju kad se rasterete jednak je radu A samo kad se u njima ne stvara ni spoljno ni unutrašnje trenje. Inače A’ < A, a razlika A - A' troši se za svladavanje trenja i pretvara se u toplotu.

Materijali opruga

Glavni članak: Čelik za opruge

Pri odabiru materijala za opruge mora se uzeti u obzir sposobnost oblikovanja i elastična svojstva materijala. Izbor materijala prvenstveno zavisi od uslova eksploatacije opruge:

• opruge za rad u normalnim uslovima: ako se za ove opruge koristi nelegirani čelik, onda je to najčešće već patentirana žica sa 0,5 do 0,85% ugljenika. Patentiranje se izvodi tako da se austenitizovana žica provlači kroz olovnu kupku gde se izotermno poboljša, a zatim se ohladi na vazduhu. Obično se nakon toga još hladno gnječi. Posle izrade (motanja) izvodi se nisko popuštanje. Zbog slabe prokaljivosti nelegirani čelici se koriste samo za manje preseke, a zbog slabe temperaturne postojanosti za rad na temperaturama samo do 80 °C. Za opruge koje se toplotni obrađuju posle oblikovanja koriste se čelici legirani silicijumem, manganom, hromom i manje vanadijumom, uz srednji sadržaj ugljenika (0,4 do 0,7%). Legirni elementi povećavaju prokaljivost, postojanost popuštanju i mehanička svojstva materijala opruge. Silicijum se rastvara u feritnoj rešetki, povećavajući čvrstoću materijala, a još više granicu tečenja, koja kod ovakvih materijala može dostići i 90% vlačne čvrstoće. S druge strane, pri toplotnoj obradi na višim temperaturama, silicijum povećava sklonost čelika jakom razugljičavanju i grubozrnatosti, te se na površini dobije čisti ferit koji je neotporan na dinamička naprezanja. Karakteristika mangana je da osim što povećava svojstva čelika isto kao silicijum, uzrokuje nejednoliki raspored uključina sulfida i oksida. Valjanjem one zauzmu vlaknasti raspored, pa čelik legiran manganom ima visoku žilavost u uzdužnom smeru (lisnate opruge).
• opruge za rad na povišenim temperaturama: kod ovih opruga čelici su legirani prvenstveno hromom (do 1,5%) koji sa željezom stvara složeni karbid, te sa drugim elementima (molibden, volfram i vanadijum) koji stvaraju svoje temperaturno postojane karbide.
• opruge za rad u korozionoj sredini: problem korozije najjednostavnije i najjeftinije se rešava izradom opruga iz čelika iz prethodnih skupina, te njihovim oblaganjem antikorozijskim zaštitnim slojem. No, mnogo efikasnije, ali zato i znatno skuplje, je izraditi opruge od materijala otpornog na koroziju. To su prvenstveno nerđajući čelici, te različite vrste bronze.

Podela

Po načinu delovanja opterećenja dijele se na fleksione (podešene za savijanje) i torzione (podešene za uvijanje).

U fleksione spadaju: proste lisnate opruge, gibnjevi, spiralne, zavojne i tanjiraste opruge. U torzione spadaju zatezne, pritisne i pužaste opruge.

Ilustracije

• 
  Kompresiona (pritisna) opruga
• 
  Zatezna opruga
• 
  Torziona spiralna opruga
• 
  Gibnjevi na automobilu
• 
  Fleksiona tanjirasta opruga
• 
  Torziona pužasta opruga
• 
  Pinceta, vrsta proste lisnate opruge
• 
  Opruga podešena za rastezanje
• 
  Opruga zanatske proizvedena u Srbiji 1982. g.

Vidi još

• Mašinski elementi

Literatura

• Usher, Abbot Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. Courier Dover. str. 305. ISBN 0-486-25593-X. 
• Skripte o mašinskim elementima, univerziteti u Novom Sadu i Mostaru.
• Sclater, Neil. (2011). "Spring and screw devices and mechanisms." Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook. 5th ed. New York: McGraw Hill. pp. 279–299. ISBN 9780071704427. Drawings and designs of various spring and screw mechanisms.
• Parmley, Robert. (2000). "Section 16: Springs." Illustrated Sourcebook of Mechanical Components. New York: McGraw Hill. ISBN 0070486174 Drawings, designs and discussion of various springs and spring mechanisms.
• Warden, Tim. (2021). “Bundy 2 Alto Saxophone.” This saxophone is known for having the strongest tensioned needle springs in existence.
• Paredes, Manuel (2013). „How to design springs”. insa de toulouse. Pristupljeno 13. 11. 2013. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Wright, Douglas. „Introduction to Springs”. Notes on Design and Analysis of Machine Elements. Department of Mechanical & Material Engineering, University of Western Australia. Pristupljeno 3. 2. 2008. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Silberstein, Dave (2002). „How to make springs”. Bazillion. Arhivirano iz originala 18. 9. 2013. g. Pristupljeno 3. 2. 2008. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

Spoljašnje veze

• Mašinski elementi, univerzitet u Mostaru, pdf
• Dizajn kompresione opruge
• Institut za opruge
• Springs with Dynamically Variable Stiffness (patent)
• Smart Springs and their Combinations (patent)