Rugóerő tároló méretezése

A rugóerő tárolók a gépészeti gyakorlatban mai napig nagyon széles körben alkalmazott gépelemek. Legelterjedtebb felhasználásukkal olyan kiegyensúlyozási feladatoknál találkozhatunk, amelyeket ellensúly alkalmazásával valamilyen okból nem célszerű elvégezni. Az alábbiakban egy olyan tipikusnak tekinthető alkalmazási példát mutatok be, amely kiválóan prezentálja mindazokat a tervezési szempontokat, amelyek a rugóerő tárolók méretezése, beépítésének célszerű módjának meghatározása során felmerülnek.

A rugóerőtároló egy olyan szerkezet, amelyben egy rugószerű gépelem rugalmasságát és energiatároló képességét használjuk ki. A rugó köztudottan az egyik ember által legrégebben felfedezett és számos formában hasznosított eszköz. A rugókat energiatárolásra, erők és/vagy nyomatékok közel állandó értéken tartására, dinamikus igénybevételeknél erőhatások tompítására, vagy éppen lengő rendszerek kialakítására használják.

Mára rugók számos formája alakult ki, amelyeket napjainkban már meglehetősen széles választékban, katalógusból kiválasztható módon, készen meg lehet vásárolni. Gyakori azonban, hogy egy adott feladat olyan rugó karakterisztikát igényel, amelyet nem lehet a katalógusból kiválasztható rugókból összeépíteni. Ilyen esetben szükségessé válik magának a rugónak a megtervezése is.

A megfelelő rugókarakterisztika elérése érdekben a műszaki bizonytalanságok miatt a rugóerőtárolókon beállítási lehetőségekre van szükség. Az 1-4. ábrán látható billenő lépcső különböző méretű, biztonsági célokat szolgáló kosárral készül, ami nagyon különböző nagyságú nyomatékot eredményez a lépcső tövében elhelyezkedő csapágyazott tengelyre.

1-4. ábra: Direct-Line Kft. által gyártott billenő lépcső biztonsági kosárral

Ebben az esetben érdmes tehát a lépcső számára egy megfelelően méretezett és beállított erőtárolót alkalmazni, majd pedig a kosár ellensúlyozására egy másikat. A különböző mérettel rendelkező kosarak a nagy nyomaték eltérések miatt ugyancsak különböző erőtárolókat igényelnek.

5. ábra: Rugóerőtároló körvonalrajza és beépítési módja

Az 5. ábrán látszik a rugóerőtároló körvonalrajza és beépítési módja. A csőben elhelyezett nyomó rugó a beépítés módjából fakadóan úgy viselkedik, mint egy húzott rugós szerkezet. Joggal merül fel a kérdés, hogy miért szükséges a funkció megfordítása, s miért nem kerül sor inkább egy közönséges húzott rugó beépítésére? Ennek elsősorban biztonsági oka van, ugyanis a nyomó rugó törése nem vezet balesethez, szemben a húzott rugó elszakadásának következményeivel.
Az 1-4. ábrán látható képen a lépcső és a kiegyensúlyozásáról gondoskodó erőtároló az alábbi adatokkal jellemezhető:

1. táblázat: Billenő lépcső és rugóerőtároló főbb műszaki paraméterei

Az alábbi táblázat a fenti geometriai adatok ismeretében felírt nyomatéki függvények 5 fokonként kiszámolt értékét tartalmazza.

2. táblázat: A billenőlépcső és a rugó igénybevételei

A 6. ábrán látható a 2. táblázatban foglalt igénybevételi adatok grafikus megjelenítése, amelyből lekövethető a lépcső által kifejtett nyomatékának (kék) és rugó által kifejtett erő nyomatékának (piros) alakulása.

Az erőtároló méretezésének elsődleges célja, hogy a két nyomatéki görbe minél közelebb haladjon egymáshoz. Különösen fontos ez a „munkatartományban”, ahol a megadott adatok esetében egy a gyakorlat számára jól elfogadható illeszkedést tapasztalhatunk. A lépcső nyomatéka és a rugó által kifejtett ellentétes irányú nyomaték éppen a kritikus szakaszon egyenlítik ki jól egymást, ami kielégíti a rugó méretezésekor, valamint a beépítés módjának a meghatározásakor lefektetett célkitűzéseket.

6. ábra: Billenőlépcső (kék) és rugó által kifejtett erő nyomatéka (piros)

A sorozatban gyártott lépcsők, illetve erőtárolók méretének és tömegének kismértékű ingadozása miatt a valós és elméleti értékek közötti eltérések a rugóerőtárolóban állítási lehetőségeket követelnek meg. Az esetek túlnyomó többségében a rugó előfeszítésének mértékét megváltoztatva az eltérések kompenzálhatók.

A fent alkalmazott összefüggések felhasználásával számos hasonló billenő szerkezet esetében meghatározhatók annak a rugóerőtárolónak a jellemzői, amelyet a megfelelő módon beépítve kompenzálhatók a nemkívánatos terhelések.