Газовые пружины

Газовые пружины представляют собой гидропневматическое устройство, использующее энергию сжатого газа для создания усилия на штоке. Сегодня эти изделия распространены чрезвычайно широко. Пожалуй, каждый из нас сталкивался с ними: в уличных киосках, офисных креслах, багажниках автомобилей, сельскохозяйственных машинах, авиационной технике и др. Самое удачное слово для характеристики применяемости газовых пружин - "везде".

На рынке стран СНГ можно встретить продукцию как отечественных, так и зарубежных фирм. Перечислим их в алфавитном порядке: Ace (США), Bansbach (Германия), SKF (Швеция)/Stabilus (Германия), Suspa (Германия). Наши производители нацелены, прежде всего, на удовлетворение потребностей автомобильной промышленности. Их названия: ОАО "Скопинский автоагрегатный завод" (Россия) и "Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь) сами говорят о направленности на этот сегмент рынка. Материалы и каталоги этих фирм использованы при написании данной статьи.

Как следует из названия, газовые пружины выполняют такие же функции, как и  обычные витые металлические пружины: создание заданных постоянных сил; силовое замыкание кинематических пар; выполнение функций двигателя; виброизоляция; восприятие энергии удара. По сравнению с механическими пружинами, газовые имеют следующие преимущества: плоская характеристика жесткости, даже при больших усилиях и длинных ходах; компактность конструкции; простота и легкость монтажа; возможность выбора линейной, пропорционально-увеличивающейся или уменьшающейся характеристик при идентичных наружных размерах; возможность управлять движением, как в промежуточных положениях,  так и в конечных точках хода пружины; жесткая или податливая фиксация положения штока; ограничение хода.

Остановимся на основных принципах работы газовой пружины (рис. 2, а), базируясь на модели идеального газа. Поэтому пренебрежем влиянием сил трения и температуры. Нетрудно составить уравнение баланса сил: , где F, Н - внешняя сила; p, МПа - давление внутри пружины; A_R, мм²  - площадь поршня со стороны бесштоковой полости; A_K, мм²  - площадь штока. Следовательно, . В выдвинутом положении (ход штока s₁) давление газа p₁ и усилие на пружине . При полностью задвинутом штоке (ход штока s₂) давление газа p₂ и усилие на пружине  . На рис. 2, а эти силы показаны в линейной зависимости. В модели идеального газа эта кривая характеризует сжимающую и выталкивающую силы пружины. Соотношение между изменением давления и объемом описывается следующим политропическим уравнением  , где V₁ - объем сжимаемого газа при выдвинутом положении штока. Тогда  ,  , а  . Как следует из этого уравнения, на характеристику газовой пружины влияют следующие факторы: давление закачанного газа p1; площадь A_K штока или его диаметр d, мм; площадь A_R цилиндра или его внутренний диаметр D, мм. На рис. 2, б показаны кривые, характеризующие влияние каждого параметра на усилие штока пружины при изотермическом процессе (n=1).

Важным параметром пружины является коэффициент усилия X, характеризующий увеличение усилия пружины при изменении хода в зависимости от формы кривой усилия. Определяется он соотношением   или . Проводя аналогию с механической пружиной, найдем жесткость газовой пружины при изотермическом цикле  или . Обычно коэффициент усилия газовых пружин находится в диапазоне  и обязательно указывается в технических характеристиках пружины. Иногда приводится величина возрастания усилия, выраженная в процентах.

Перейдем к работе реальной газовой пружины. На ее работу влияют силы трения, силы сопротивления перетекания газа через сопловые отверстия штока и температура газа. На рис. 3 представлены кривые усилия реальных пружин. Точка B соответствует полностью сжатому газу, точка A - полностью расширенному. Предположим, что расширение газа начинается из точки B, усилие выталкивания определяется кривой AB и эта сила выдвигает шток. Для идеализированной модели (зеленая линия) при начале вдавливания штока усилие в пружине тоже, что и при завершении процесса выталкивания. В реальности потребная сила больше, т.к. необходимо преодолеть силы трения FR. Природа и величина сил трения зависит от условий работы газовой пружины. Кривые усилия пружин на рис. 3 нанесены синим и красным цветом. Они различны из-за методов измерения сил трения. Различают статические замеры и динамические.

При динамических замерах (рис. 3, а) полностью выпущенный шток задвигают до упора при постоянной скорости. Усилие в пружине замеряется в процессе сжатия/расширения газа. При статических замерах (рис. 3, б) скорость также постоянна, но движение прерывается в точках замеров и усилие определяется в условиях статики. В каталогах производителей чаще всего приводится диаграмма работы пружины и максимальное сопротивление сил трения.

Также следует при выборе пружины учитывать влияние температуры рабочей среды. Описанные выше замеры сил трения производятся при температуре T₀=20°C. На рис. 4 приведены кривые, характеризующие влияние температуры на усилие в газовой пружине.

а) диаграмма усилий при различной температуре

б) изменение усилия при изменении температуры

Рис. 4 Влияние температуры на усилия в пружине

Газовые пружины делятся на две категории: без блокировки и блокируемые. Пружины без блокировки применяются для создания заданных постоянных сил. Чаще всего это подъем отдельных частей агрегатов: капотов, дверей и др. Кроме этого, они могут применяться для регулирования скорости движения, демпфирования, выполнять другие функции. Основная их особенность - отсутствие механизма промежуточной фиксации положения штока. Шток перемещается от упора до упора. Это наиболее простой тип данной продукции. К сожалению, отечественные производители выпускают пружины только такого типа.
Остановимся более подробно на отдельных конструктивных решениях, применяемых в газовых пружинах без блокировки на примере продукции фирмы SKF (Швеция)/Stabilus (Германия). При перетекании газа через поршень можно получить эффект демпфирования. Для этого, в принципе, достаточно поршня с простыми сопловыми отверстиями. Однако, такая "простота" имеет ряд недостатков: отверстия легко засоряются и функциональность устройства нарушается; сложно управлять демпфирующими характеристиками пружины. Поэтому применяются лабиринтные поршни (рис. 5). Степень демпфирования зависит от длины лабиринтных каналов, определяющей сопротивление перетеканию газа. Позиционируя различным образом входные отверстия, можно получить желаемую скорость перемещения штока пружины. Длинный канал в поршне обеспечивает низкую скорость перемещения, короткий, соответственно, высокую.

Рис. 5 Поршень с лабиринтными каналами

При осевом перемещении поршневое кольцо действует как управляющий элемент. На рис. 5 при выталкивании штока поршневое кольцо прижато к поршню и зазор между поршнем и внутренней поверхностью корпуса перекрыт. Перед тем, как заполнить камеру на противоположной стороне газ должен пройти через лабиринт в поршне. По сравнению с поршнем без демпфирования, выталкивающая сила (из-за увеличения трения), как и скорость выдвижения штока, уменьшаются.  При вдавливании штока поршневое кольцо прилегает к звездообразному диску, и газ свободно перетекает через зазоры между наружным диаметром поршня и корпусом. Поэтому усилие вдавливания не изменится, а будет соответствовать усилию в поршне без демпфирования. Такая работа поршневой системы обеспечивает демпфирование в направлении выталкивания. Комбинируя расположение компонентов поршня, получают различные виды демпфирования (рис. 6): при выталкивании (рис. 6, а); при вдавливании (рис. 6, б); в обоих направлениях (рис. 6, в). При этом изменяются скорость движения штока и характеристические кривые.

а) демпфирование при выталкивании

б) демпфирование при вдавливании

в) демпфирование в обоих направлениях

Рис. 6 Демпфирование в различных направлениях

Скорость движения штока изменяется в диапазоне от 0,01 до 0,8 м/с. Если в конструкции поршня отсутствует поршневое кольцо, газовая пружина работает без демпфирования. Чаще всего такой вид пружин используется как противовес. Скорость выдвижения штока у таких пружин существенно выше.
Поршень на конце штока является также его опорой. Второй опорой штоку служит направляющий элемент, расположенный на конце корпуса. Непосредственно за ним располагается уплотнение, предотвращающее истечение газа из корпуса. Очевидно, что потеря газа приводит газовую пружину в неработоспособное состояние. В зависимости от ориентации пружины при монтаже могут применяться различные системы уплотнения.
На рис. 7 представлены три конструктивных исполнения газовых пружин, отличающиеся уплотняющим и направляющим элементами. На рис. 7, а показано одинарное уплотнение, которое предпочтительно устанавливать в положение, при котором шток направлен вниз. При этом гарантируется длительная смазка уплотнения смазочным материалом, заложенным в уплотнение.
Конструкция на рис. 7, б имеет двойное уплотнение. Это позволяет ориентировать шток в произвольном направлении. Даже если шток направлен вертикально вверх, смазка заперта между двумя уплотнениями. Второе уплотнение продлевает срок службы газовой пружины, что позволяет также использовать ее при большом числе циклов нагружения.
Газовая пружина на рис. 7, в снабжена масляной камерой. Она используется при изменении положения газовой пружины в процессе работы. К примеру, если она закреплена шарнирно.
Все конструкции  могут дополняться войлочными кольцами, пропитанными смазочным материалом, что обеспечивает дополнительную смазку штока по всей длине. Это позволяет уменьшить силы трения и позволяет пружине длительно работать даже в условиях, чувствительных к их влиянию.
Помимо герметизации газовой камеры, уплотнения предохраняют элементы пружины от внешнего воздействия. Пыль, грязь, влажность или механическое воздействие сокращают срок службы любого устройства.

а) одинарное уплотнение	б) двойное уплотнение	в) уплотнение с масляной полостью
Рис. 7 Конструкция уплотнений газовых пружин

Для работы газовой пружины чрезвычайно важно, чтобы передача усилий на точки крепления осуществлялась как можно ближе к оптимальной схеме. Для этого производители выпускают пружины с целой гаммой присоединительных элементов, устанавливаемых на шток и корпус. На рис. 8, а показаны различные исполнения конца штока и корпуса, а на рис. 8, б - типы соединительных элементов.

а) исполнения корпуса и штока	б) соединительные элементы
Рис. 8 Элементы крепления газовых пружин

Для того, чтобы избежать ударов поршня в конечной точке применяют газовые пружины с демпфированием хода. Применяют гидравлическое (рис. 9, а) и динамическое (рис. 9, б)  демпфирование.

а) гидравлическое демпфирование	б) динамическое демпфирование
Рис. 9 Демпфирование в конце хода газовой пружины

При гидравлическом демпфировании в газовую пружину добавлено масло. Если шток пружины направлен вертикально вниз, масло скапливается под поршнем. При погружении штока в жидкость сопротивление прохода масла через поршень выше, чем при проходе газа через него. Поэтому скорость выдвижения падает. На рис. 9, а участок s₂ соответствует пневматическому демпфированию, а s₁ - гидравлическому. Комбинирую различные виды масла и лабиринтных поршней, добиваются желаемого тормозного эффекта. Длина участка гидравлического демпфирования зависит от количества масла. Однако, демпфирующий эффект может быть использован только при описанном расположении штока.
Пружины с динамическим демпфированием в конце хода (рис. 9, б) могут быть установлены в любом положении. Скорость выталкивания штока регулируется продольными канавками внутри камеры давления. В этом случае поршень не имеет каналов перетекания, а течение газа происходит свободно через канавки в корпусе. Изменяя геометрию канавок, добиваются потребного изменения скорости перемещения штока вплоть до полной остановки. При использовании этой технологии возможно демпфирование в конце хода и в направлении вдавливания штока. Таким же образом осуществляется демпфирование в промежуточном положении.
Для некоторых агрегатов требуется не линейная, а специально подобранная зависимость изменения усилия газовой пружины.  Часто в конечной позиции требуется непропорционально высокая или низкая сила. Эта проблема решается введением в конструкцию механической пружины (рис. 10).
При размещении витой пружины между поршнем и днищем корпуса (рис. 10, а), обеспечивается увеличение силы в конце хода при вдавливании. Усилие в газовой пружине складывается с усилием механической пружины при ее соприкосновении с поршнем. Применяется такая пружина при необходимости увеличенного усилия при задвинутом штоке.
Если поместить пружину между поршнем и уплотнением штока, то усилие выталкивания газовой пружины будет ослабляться механической пружиной. Результатом будет уменьшающаяся характеристическая кривая.
Очевидно, что можно добиться различного положения по ходу штока точки перегиба кривой усилия. Для этого изменяют длину и силу витой пружины. Часто вместо механической пружины используют резиновые вставки. Возможны комбинации этих вариантов.

а) увеличивающееся усилие	б) уменьшающееся усилие
Рис. 10 Газовые пружины с непропорциональной характеристикой

Иногда по требованиям безопасности необходимо зафиксировать шток газовой пружины в конечном положении. Такая ситуация возникает, если внешняя сила превышает силу выталкивания пружины: изначально или при изменении условий эксплуатации. К примеру, ставни передвижных пунктов продажи необходимо предотвратить от захлопывания порывами ветра или от проседания под тяжестью снега. Поэтому часто достаточно установить одну пружину с механической фиксацией штока в конечном положении, чтобы система из нескольких газовых пружин соответствовала требованиям безопасной эксплуатации.
Существуют два типа пружин с запиранием в конечных точках: с внешним (рис. 11, а) и внутренним (рис. 11, б) фиксаторами. При внешней фиксации (рис. 11, а) в конструкцию пружины добавлена подпружиненная опорная труба, закрепленная на конце штока. Она проворачивается при полностью выдвинутом штоке и упирается в торец корпуса. При вдавливании штока трубу выводят из этого положения вручную. Помимо запирания, фиксирующая труба в какой-то степени защищает шток от внешнего воздействия.

а) внешняя фиксация	б) внутренняя фиксация
Рис. 11 Запорные элементы газовой пружины

В конструкцию газовых пружин с внутренней фиксацией  в конечном положении (рис. 11, б) встроены элементы, по принципу действия схожие с механизмом шариковой ручки. Как видно из рисунка, в корпусе размещается гильза с фигурными пазами, а на штоке - кулачковый барабан. Замок срабатывает при перемещении в направлении выталкивания штока пружины с последующим коротким обратным движением. Для надежной фиксации нагрузка на шток должна быть больше усилия в пружине. Для освобождения от фиксации шток повторно перемещают вниз. Основное преимущество перед внешним замком - все операции проводятся одной рукой.
Ну, а если по условиям эксплуатации необходима фиксация не только в конечной точке, но и в промежуточных положениях? Для таких случаев производители предлагают нам использовать уже упомянутые нами пружины с блокировкой.
Блокируемые пружины имеют специальные конструктивные решения, позволяющие фиксировать шток в произвольном положении. Это свойство достигается встраиванием клапанов, управляющих перетеканием газа (рис. 12). В штоке цилиндра расположен толкатель, головка которого выходит за пределы штока. Толкатель упирается в клапан, вмонтированный в поршень. При закрытом клапане перетекание газа невозможно и шток фиксируется в промежуточном положении. В зависимости от конструкции поршня, силы сопротивления и ее направления можно добиться различных значений блокирующей силы.

Рис. 12 Газовая пружина с блокировкой

В связи с этим различают следующие типы блокируемых газовых пружин: с жесткой фиксацией или с упругой фиксацией промежуточного положения. Упругая фиксация возникает из-за упругости заполняющего пружину газа, который сжимается даже при полностью закрытом перепускном клапане. В определенных изделиях это свойство чрезвычайно полезно. Примером служат изделия мебельной промышленности.
Естественно, что в других условиях от газовой пружины может требоваться исключительно жесткая фиксация. Например, в регулируемой рулевой колонке или механизме фиксации спинки автомобильного кресла.
Жесткой фиксации достигают заполнением камеры корпуса несжимаемой жидкостью - маслом. Однако, объем полости внутри корпуса пружины уменьшается при вдавливании поршня со штоком. Поэтому невозможно полностью заполнить газовую пружину маслом. Некоторый объем газа обязательно останется. Если при установке пружины шток направлен вниз, под действием гравитации масло будет скапливаться под поршнем. А при другой установке газовой пружины для необходимого распределения масла необходим разделяющий поршень.
Поэтому газовые пружины с жесткой фиксацией тоже делятся на 2 класса: с жесткой фиксацией независимо от ориентации (рис. 13); с жесткой фиксацией зависимой от ориентации пружины (рис. 14). В свою очередь каждый из этих типов газовых пружин может иметь жесткую фиксацию при вдавливании (рис. 13, а и рис. 14, а) или жесткую фиксацию при выталкивании (рис. 13, б и рис. 14, б).

а) жесткая фиксация при вдавливании	б) жесткая фиксация при выталкивании
Рис. 13 Жесткая фиксация, независящая от ориентации пружины

При жесткой фиксации независимой от ориентации газовой пружины (рис. 13) в ее конструкцию вводят дополнительный поршень, разделяющий масло и газ внутри пружины. Газовая камера компенсирует объем вдавливаемого штока и расширение масла в случае нагрева, а масляная гарантирует жесткую фиксацию. Разделяющий поршень может размещаться на штоке поршня (рис. 13, а) либо между поршнем и дном корпуса (рис. 13, б). В любом случае рабочая камера поршня полностью заполнена маслом. Поскольку жидкость несжимаема, в первом случае жесткая фиксация при закрытом перепускном клапане обеспечена в направлении вдавливания штока, а в другом случае - в направлении выталкивания.
Максимально допустимая сила, действующая  в направлении жесткой фиксации, зависит от силы выталкивания газовой пружины и ее прочностных характеристик. Поэтому ее величина должна определяется с точки зрения прочности элементов газовой пружины.
В случае, если поршень нагружен в направлении газовой камеры при закрытом клапане, блокирующая сила соответствует усилию газовой пружины. Увеличение внешней силы будет вызывать соответствующее перемещение разделяющего поршня и сжатие газа. Поэтому величина блокирующей силы меняется в зависимости от выталкивающей силы пружины F₁ и прироста давления в газовой пружине. Отношение блокирующей и выталкивающей сил равно отношению площадей разделительного поршня и сечения штока. Для пружины с жесткой фиксацией при вдавливании (рис. 13, а) это отношение приблизительно 4,5; для жесткой фиксации при выталкивании (рис. 13, б) - приблизительно 5,5.
Пружины с жесткой фиксацией независимой от ориентации могут устанавливаться в произвольном положении благодаря наличию дополнительного поршня. Совершенно очевидно, что это увеличивает стоимость продукта. Как отмечалось выше, если условия работы позволяют сориентировать пружину вертикально, можно обойтись без дополнительных элементов, а, следовательно, и удорожания. Такой тип пружин (рис. 14) называется пружинами с жесткой фиксацией зависимой от ориентации.
Если шток поршня направлен вертикально вверх (рис. 14, а), масло скапливается под поршнем в бесштоковой полости, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении вдавливания. При штоке поршня, направленном вертикально вверх (рис. 7, б), масло скапливается под поршнем со стороны штока, и мы получаем жесткую фиксацию в направлении выталкивания. Работа пружины при внешней силе противоположного направления не отличается от пружин с жесткой фиксацией независимой от ориентации штока. Следует отметить, что эти пружины также можно располагать с отклонением от вертикального положения. Однако, в этом случае жесткая фиксация возможна в определенном диапазоне хода штока, при котором поршень покрыт маслом.

а) жесткая фиксация при вдавливании	б) жесткая фиксация при выталкивании
Рис. 14 Жесткая фиксация, зависящая от положения пружины

Следующий тип гидропневматических устройств, объединенных названием газовые пружины - блокирующие без создания выталкивающей силы (рис. 15). Их назначение - демпфирование и блокировка штока в произвольном положении. Разделительный поршень в этом случае зафиксирован. К поршню оппозитно с рабочим штоком шарнирно закреплен компенсирующий шток, перемещающийся в герметичной камере. Это обеспечивает постоянство объема рабочей камеры. Таким образом, на рабочий шток не действует выталкивающая сила. Для регулирования осевого положения штока необходимо применить силу, большую, чем силы трения в уплотнениях и при перетекании жидкости через сопловые отверстия.

Рис. 15 Блокируемые газовые пружины без выталкивающей силы

Однако, для компенсации тепловых расширений заполняющего корпус масла, в рабочей камере существует газовый карман. Поэтому при закрытии клапана небольшой пружинный эффект все же существует. Для устранения этого недостатка применяют конструкцию, показанную на рис. 16. Разделяющий поршень расположен в радиальных канавках и подперт спиральной пружиной, которая компенсирует тепловое расширение жидкости. Перемещение штока возможно только при преодолении силы противодействия пружины. В этом устройстве также имеется пружина, запирающая клапан. Для его открытия необходимо приложить усилие порядка 100 Н.

Рис. 16 Компенсация теплового расширения жидкости

В таблице 1 приведены сводные справочные данные о наиболее часто встречающихся типоразмерах газовых пружин без блокировки. Для получения более подробной информации необходимо обратиться к каталогам фирм-производителей и их дистрибьюторов.

Таблица 1 Сравнительные характеристики газовых пружин различных производителей

Диаметр штока, d1, мм	Диаметр цилиндра, d2, мм	Сила выталкивания, F1, Н	Ход поршня, s, мм	Коэффициент усилия, X
SKF (Швеция)/Stabilus (Германия)
6	15	50-400	20-150	1,3
8	19	100-800	60-250	1,35
10	22	150-1150	100-400	1,4
14	28	500-2100	100-500	1,5
20	42	2400-5200	105-500	1,45
Bansbach (Германия)
4	12	7-200	10-150	1,21
6	15	10-400	10-150	1,27
6	19	10-400	10-150	1,16
6	22	10-400	10-150	1,11
8	19	30-700	10-300	1,33
8	22	30-700	10-300	1,22
8	28	30-700	10-300	1,13
10	22	50-1300	20-800	1,39
10	28	50-1300	20-800	1,21
12	28	100-1700	20-1000	1,33
14	28	150-2600	20-1000	1,52
10	40	50-1300	20-1000	1,08
12	40	100-1700	20-1000	1,13
14	40	150-2600	20-1000	1,18
20	40	200-5000	20-1000	1,45
Suspa (Германия)
6	15	50-400	20-150	-
8	18	80-750	60-250	-
10	22	100-1200	100-400	-
14	28	200-2000	100-500	-
Ace (США)
6	15,5	10-400	60-200	1,27
8	19	50-700	100-250	1,33
10	22	80-1300	100-400	1,38
14	28	100-2500	200-500	1,52
"Гродненский завод автомобильных агрегатов" (Беларусь)
10	22	80-1000	100-290	-
"Скопинский автоагрегатный завод" (Россия)
10	22	110-460	175, 250	-

Чаще всего газовые пружины используются для поддержки различного вида капотов, щитов, крышек и т.д. На рис. 17 приведена расчетная схема для выбора пружины, работающей в паре с произвольным откидным щитком. Исходными данными для расчета являются: вытянутая длина газовой пружины B, мм; длина пружины в сжатом состоянии E, мм; масса поддерживаемого щитка m, кг; плечо силы тяжести от оси вращения L_G, мм; плечо силы газовой пружины от оси вращения L₁, мм; число газовых пружин n; коэффициент безопасности k (обычно 1,2…1,3). Величина силы выталкивания пружины F₁, Н определяется из условия равенства моментов относительно оси вращения по формуле  . Нетрудно заметить, что минимальный ход поршня пружины s, мм  .

Рис. 17 Расчет усилия пружины

Газовые пружины не требуют технического обслуживания. Однако, при монтаже газовых пружин следует оградить их от попадания грязи, краски, нанесения механических повреждений. Эксплуатация газовых пружин подразумевает соблюдение рабочего диапазона температур. Приблизительно это 0°C …+80°C, с кратковременным перегревом свыше 110°C.
При перекосе газовой пружины происходит преждевременный износ ее элементов. Поэтому при монтаже и эксплуатации необходимо избегать поперечных сил, действующих на шток. Для предотвращения подобной ситуации необходимо использовать шаровые наконечники.
Следует отметить, что существует еще ряд специальных конструкций газовых пружин, применяемых в определенных областях промышленности. Так, отдельные производители выпускают специальный модельный ряд для офисных стульев. Кроме того, рассмотренные нами на примере продукции одной фирмы конструктивные решения могут отличаться у других фирм, что не искажает общей картины в целом.
Невозможно не обратить внимания на разнообразие конструктивных исполнений такого внешне простого устройства - цилиндра, наполненного газом, в который вставлен шток с поршнем. На мой взгляд, газовые пружины ярко иллюстрируют "узкоспециализированную" эволюцию продукции машиностроения. Модельный ряд удовлетворяет буквально любые запросы заказчика. А ведь в прошлом веке Генри Форд мог позволить себе сказать: "Потребитель имеет право выбирать автомобиль любого цвета, при условии, что он черный". Несомненно, времена изменились…