Vnitřní vibrační chování pružin

V mechanickém inženýrství jsou napínací a kompresní pružiny důležitou součástí konstrukce mechanických systémů, aplikací a použití. Vlastnosti pružin, jako je jejich vratná síla a pružinová konstanta, ovlivňují výkon a funkčnost strojů. Abychom porozuměli těmto vlastnostem a vibračnímu chování pružinových systémů, podíváme se v tomto článku na fyzické vztahy mezi pružinovými systémy a vztah mezi přirozenou frekvencí a rezonancí.

Fyzické vlastnosti pružin

Napínací a kompresní pružiny, jednoduše nazývané „pružiny“, jsou jedním z nejdůležitějších prvků mechanických systémů. Mají schopnost se natáhnout a stlačit, což jim umožňuje ukládat kinetickou energii. Tato energie se uvolňuje, když se pružina vrátí do původního tvaru.

Fyzikální vlastnosti pružin závisí na různých faktorech. Rozhodující je materiál, ze kterého jsou pružiny vyrobeny, jejich tvar a velikost, jakož i způsob, jakým jsou naloženy. Kromě toho mohou vlastnosti pružin ovlivnit vnější faktory, jako je teplota a vlhkost.

Vnitřní vibrační chování pružin závisí na jejich fyzikálních vlastnostech. Patří mezi ně hustota, modul pružnosti, tlumení vibrací a tuhost. Vnitřní vibrační chování pružin je také ovlivněno typem aplikace.

Harmonické vibrace

Harmonické vibrace jsou netlumené vibrace, ve kterých je vratná síla úměrná vychýlení pružiny.

Když je pružina vychýlena z rovnovážné polohy a poté uvolněna, začne vibrovat. Tyto vibrace jsou harmonické, když je vratná síla, tj. síla působící ve směru rovnovážné polohy, vždy úměrná vychýlení. Harmonické vibrace mají pevnou frekvenci a nezastavují se samy po počátečním vnějším vynaložení síly.

Tlumené vibrace

Ve skutečnosti jsou například vibrace pružin zásadně tlumeny, protože časem klesají kvůli vnějším vlivům, jako je tření nebo odpor vzduchu. To znamená, že amplituda vibrací se postupně snižuje, dokud se vibrace konečně nezastaví. Doba oscilace je tak snížena tlumením pružiny v závislosti na jejích fyzikálních vlastnostech.

Tlumení ovlivňuje vnitřní vibrační chování pružiny tím, že způsobuje energetické ztráty během vibrací. Když pružina vibruje, uvolňuje energii v důsledku tření a dalších faktorů. To způsobuje postupné snižování vibrací. Tlumení mění vibrační chování pružiny snížením frekvence a amplitudy vibrací. To znamená, že tlumené vibrace jsou výrazně méně náchylné k rezonanci.

Aby bylo možné porozumět vnitřnímu vibračnímu chování tlumené pružiny, je třeba vzít v úvahu tlumicí vlastnosti pružiny. Tlumení může být ovlivněno různými faktory, jako je tvar pružiny, materiál a prostředí, ve kterém se používá.

Kromě pružin lze k tlumení vibrací použít také průmyslové tlumiče.

Pružinová konstanta jako rozhodující parametr

Důležitost přirozené frekvence

Vnitřní vibrace nebo přirozená frekvence mechanického systému popisuje frekvenci, s jakou systém vibruje po jediné excitaci zvenčí. Vnitřní vibrační chování pružin je důležité pro pochopení vibračních vlastností mechanických systémů.

Je-li pružina integrována do mechanického systému, může ovlivnit vibrační chování systému. V případě pružinového kyvadla (rovněž označované jako pružinový oscilátor) závisí přirozená frekvence na pružinové konstantě k a hmotě m kyvadlového těla.

Na základě vibrační rovnice lze pro výpočet přirozené frekvence pružiny použít následující vzorec:

Rezonance v pružinovém systému

Rezonance je důležitým mechanickým jevem a může se vyskytnout v mnoha aplikacích. Je důležité pochopit, jak se vyvíjí rezonance a jaký dopad má na optimalizaci výkonu pružinových systémů. V konstrukci jsou přirozená frekvence a rezonance pružinových systémů důležitější, pokud jde o výsledné důsledky pro stabilitu a bezpečnost aplikace.

K rezonanci dochází, když vnější síla působící na pružinový systém odpovídá přirozené (vnitřní) frekvenci pružiny. Po dosažení této frekvence začne systém vibrovat s největší možnou amplitudou. Tomu se říká rezonance.

Předpokládejme, že aplikace se skládá z vibračního podavače, který je namontován na pružinových šroubech nožního zvedáku. V takovém případě může dojít k rezonančnímu účinku, pokud se frekvence vibračního podavače blíží přirozené frekvenci pružinových šroubů nožního zvedáku. Tento rezonanční účinek by mohl nakonec vést k dalšímu zvýšení amplitudy vibrací aplikace a její stabilita a bezpečnost již nejsou zaručeny.

Účinky rezonance na pružinový systém mohou být velmi závažné. Pokud pružinový systém příliš vibruje, může způsobit poškození konstrukce nebo nepředvídatelné pohyby.

Lze tedy konstatovat, že bychom se obecně měli vyhýbat rezonancím ve stavbě.

• Všechny přirozené frekvence nejsou stejné = DOBRÉ
• Všechny přirozené frekvence jsou stejné = ŠPATNÉ

Jak lze předejít rezonanci

Již jsme zjistili, že přirozená frekvence je důležitým faktorem pro výskyt nežádoucí rezonance v aplikaci. Jak lze tyto znalosti využít v praxi?

1. Určete frekvenci vibrací plánované aplikace.

   Frekvence vibrací aplikace by měla být známa jako součást návrhu (např. technické údaje aplikace). V důsledku toho lze vybrat vhodné pružiny v následujících krocích.

2. Určete přirozenou frekvenci požadované pružiny.

   Vložením vhodné přirozené frekvence do rovnice vibrací (viz vzorec pro výpočet přirozené frekvence) lze stanovit pružinové konstanty, které jsou vhodné vzhledem k frekvenci vibrací plánované aplikace.

3. Další tlumení vibrací.

   V některých případech může být nutné dodatečně tlumit vibrace pružiny pomocí tlumicích materiálů (např. PU tlumičů), aby se dále snížily nežádoucí vibrace nebo hluk. Tlumený pružinový systém snižuje vibrace na přijatelnou úroveň a zvyšuje stabilitu a bezpečnost aplikace.

Jaká jsou další opatření ke ztlumení vibrací?

Jednou z možností je použití vhodné pružiny k tlumení aplikace. Pružina může absorbovat vibrační pohyb a přeměnit jej na tepelnou energii, čímž tlumí vibrace. Tento princip se často používá ve vozidlech, kde se tlumiče nárazů z pružin používají k tlumení vibrací na silnici.

Dalším prostředkem tlumení vibrací jsou tlumiče nárazů. Na rozdíl od pružin přeměňují tlumiče kinetickou energii přímo na tepelnou energii, čímž výrazně snižují rozsah pohybu oproti pružinám.

Moderním příkladem účinného tlumiče je PU (polyuretanový) tlumič. Tento typ materiálu nejenže absorbuje vibrace díky svým elastickým vlastnostem jako jiné materiály, ale má také vynikající vlastnosti pohlcující nárazy a vysokou odolnost proti oděru a opotřebení ve srovnání s konvenčními gumovými materiály.