mini|desno|250px|Tlačna cilindrična zavojna torzijska opruga.
mini|desno|250px|Vlačna cilindrična zavojna torzijska opruga (opterećenje na uvijanje) s ušicama od žice opruge zavinute na kraju.
mini|desno|250px|Spiralna opruga.
mini|250px|Dva broša željezne kulture: La Tène (1. stoljeće pr. Kr.) i iz Rima (4. stoljeće).
mini|desno|250px|Spiralna opruga na nemirnici mehaničkog sata.
mini|desno|250px|Tradicionalni polueliptični raspored slojevitih lisnatih opruga. S lijeve strane, opruga je spojena s okvirom preko okova.
mini|desno|250px|Torzijska opruga ili opruga opterećena na uvijanje.
mini|desno|250px|Slojevite lisnate opruge na vlaku.
mini|desno|250px|Zavojna opruga savijanja u mišolovci.
mini|desno|250px|Tanjurasta opruga.
mini|desno|250px|Način učvršćivanja vlačnih cilindričnih zavojnih torzijskih opruga: a) ušice od žice opruge zavinute na kraju, b) posebne ušice obavijene zavojima opruge, c) nažlijebljeni čep.
mini|desno|250px|Drvena štipaljka (štipalica, kvačica) sa zavojnom oprugom savijanja (opterećenje na savijanje).
mini|desno|250px|Prstenaste opruge u odbojniku željezničkih vagona i vozila (otvoren za prikazivanje).
Opruga (također elastično pero prema njem. Feder) je strojni dio za elastično spajanje. Opruga je izrazito elastičnih svojstava, koji prilikom deformacije (promjene 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 natrag u mehanički rad, to jest opruge akumuliraju rad. Služi za ublažavanje udaraca (na vozilima, osovinskim spojkama), za akumuliranje mehaničkog rada (u mehaničkim satovima, dječjim igračkama), za povrat pokreta (kod ventila ili polužja), za ograničenje sile (na momentnim ključevima za zavrtanje), za mjerenje sile (kod dinamometara), za regulaciju podizaja (kod regulacijskih ventila), kao titrajni dio i u mnoge druge svrhe. Opruge se dijele prema obliku (lisnate, tanjuraste, prstenaste, cilindrične zavojne, konične zavojne, spiralne), presjeku (kvadratne, plosnate, okrugle i drugo), opterećenju (vlačne, tlačne, opterećene na savijanje ili uvijanje). Materijal od kojega se izrađuju najčešće je posebna vrsta čelika za opruge, koji je elastičan i jako žilav (čelik za opruge). Za specijalne namjene upotrebljavaju se legirani čelici: nehrđajući, antimagnetski, a sasvim iznimno i drugi metali, pa i nemetali, na primjer kompozitni materijali.
Opruga je elastični strojni dio koji pod utjecajem vanjskih 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 primjera 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 željezničkih vozila, zavješenje kotača, elastične spojke, kao povratni dio (opruge u ventilima, spojkama, mjernim instrumentima), mjerenje ili ograničenje sila (vaga s oprugom ili dinamometar, preša), raspodjela sila (oruđa za učvršćivanje, željeznička i cestovna vozila), opruge za zatezanje.
Povijest Jednostavne nezavojne opruge su se koristile kroz povijest čovječanstva, kao recimo luk i strijela. U brončano doba se počinju koristiti složenije opruge, kao na primjer pinceta ili kliještica. Ktesibije Aleksandrijski je radio brončane opruge, s povećanim sadržajem kositra, koje su imale dobra elastična svojstva.
Prve zavojne opruge su se pojavile u 15. stoljeću. Prvi sat s torzijskom oprugom za navijanje se pojavljuje u 16. stoljeću. 1676. britanski fizičar Robert Hooke otkriva zakonitosti u radu opruga, kod njihovog istezanja i sabijanja, što se danas naziva Hookeov zakon. „Fenor” iz Nove Rače bio je najznačajnija tvornica opruga u bivšoj Jugoslaviji s više od 550 zaposlenih. Izrađivao je širok asortiman opruga među kojima su bile: spiralne, lisnate, tanjuraste i specijalne opruge te opruge za željezničke vagone.
Karakteristika i rad opruge mini|središte|700px|Karakteristike opruga: a) progresivna gumena opruga, b) ravna (cilindrična zavojna torzijska opruga), c) degresivna (tanjurasta opruga).
Pod karakteristikom opruge razumijeva se krivulja koja prikazuje međusobnu ovisnost njenog opterećenja (sila) i deformacije (produljenje ili skraćenje). Ako se vlačna, tlačna 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 kut α koji se naziva zakretanje opruge. Progib i kut zakreta se zajedničkim imenom nazivaju opruženje. Ovisnost opruženja o opterećenju naziva se karakteristika opruge, a može biti linearna, progresivna ili degresivna. Karakteristika opruge definirana je omjerom prirasta opterećenja i opruženja koji se naziva krutost opruge. U oprugama s linearnom karakteristikom krutost opruge je konstantna veličina i naziva se konstanta opruge: "Konstrukcijski elementi I", Tehnički fakultet Rijeka, Božidar Križan i Saša Zelenika, 2011.
gdje je: c – krutost opruge za vlačne, tlačne i savojne opruge (N/mm), ct – 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 udio unutarnjeg trenja u materijalu opruge. U praksi se često susreću primjeri kada je u pojedinom sklopu istovremeno ugrađeno više opruga koje su povezane u takozvani "sustav opruga", čime se omogućuje tražena funkcija tog sklopa. Pojedine opruge mogu biti povezane u sustav opruga na različite načine: paralelni sustavi opruga; opruge su ugrađene tako da se ukupna sila raspoređuje na pojedine opruge, pri čemu je progib svih opruga jednak. serijski sustavi opruga; opruge su ugrađene tako da na pojedine opruge djeluje jednako velika sila F. Progibi pojedinih opruga općenito nisu jednaki, te su ovisni o konstantama opruge. kombinirani sustavi opruga; u kombiniranim sustavima opruga, opruge su u različitim kombinacijama ugrađene paralelno i serijski.
Proračun opruga Kako se opterećenje opruga mjeri silom F, a deformacija progibom, odnosno elongacijom ili kontrakcijom f, odnosno momentom sile M i kutom uvijanja φ, to je karakteristika opruge ili takozvana njezina krutost c određena izrazom:
odnosno:
Krutost se mjeri u N/mm, odnosno Nm/radijan i predstavlja silu, koja uzrokuje deformaciju opruge za jedinicu duljine, odnosno luka. Ta se vrijednost 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 (na dijagramu šrafirana površina) za te dvije vrste opterećenja iznosi:
odnosno:
a specijalno, kad su karakteristike opruge ravne, jednadžbama:
odnosno:
Mehanički rad A’ što ga opruge predaju kad se rasterete jednak je radu A samo kad se u njima ne stvara ni vanjsko ni unutrašnje trenje. Inače A’ < A, a razlika A – A troši se za svladavanje trenja i pretvara se u toplinu.
Materijali opruga
Pri odabiru materijala za opruge mora se uzeti u obzir sposobnost oblikovanja i elastična svojstva materijala. Izbor materijala prvenstveno ovisi o uvjetima eksploatacije opruge: "Elementi strojeva", Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Split, Prof. dr. sc. Damir Jelaska, 2011. opruge za rad u normalnim uvjetima: ako se za ove opruge koristi nelegirani čelik, onda je to najčešće već patentirana žica s 0,5 do 0,85 % ugljika. Patentiranje se izvodi tako da se austenitizirana žica provlači kroz olovnu kupku gdje se izotermno poboljša, a zatim se ohladi na zraku. Obično se nakon toga još hladno gnječi. Poslije izrade (motanja) izvodi se nisko popuštanje. Zbog slabe prokaljivosti nelegirani čelici se koriste samo za manje presjeke, a zbog slabe temperaturne postojanosti za rad na temperaturama samo do 80 ºC. Za opruge koje se toplinski obrađuju poslije oblikovanja koriste se čelici legirani silicijem, manganom, kromom i manje vanadijem, uz srednji sadržaj ugljika (0,4 do 0,7 %). Legirni elementi povećavaju prokaljivost, postojanost popuštanju i mehanička svojstva materijala opruge. Silicij 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 toplinskoj obradi na višim temperaturama, silicij povećava sklonost čelika jakom razugljičavanju i grubozrnatosti, pa se na površini dobije čisti ferit koji je neotporan na dinamička naprezanja. Karakteristika mangana je da osim što povećava svojstva čelika isto kao silicij, uzrokuje nejednoliki raspored uključina sulfida i oksida. Valjanjem one zauzmu vlaknasti raspored, pa čelik legiran manganom ima visoku žilavost u uzdužnom smjeru (lisnate opruge). opruge za rad na povišenim temperaturama: kod ovih opruga čelici su legirani prvenstveno kromom (do 1,5 %) koji sa željezom stvara složeni karbid, te s drugim elementima (molibden, volfram i vanadij) koji stvaraju svoje temperaturno postojane karbide. opruge za rad u korozionoj sredini: problem korozije najjednostavnije i najjeftinije se rješava izradom opruga iz čelika iz prethodnih skupina, te njihovim oblaganjem antikorozijskim zaštitnim slojem. No, mnogo učinkovitije, ali zato i znatno skuplje, je izraditi opruge iz materijala otpornog na koroziju. To su prvenstveno nehrđajući čelici, te različite vrste bronci.
U praksi se za opruge najviše upotrebljavaju toplo valjani čelici koji se nakon kaljenja popuštaju, kako bi se povećala žilavost materijala. Najbolja svojstva čvrstoće postižu se upotrebom okrugle žice za opruge koja se izrađuje u različitim razredima kvalitete. Za hladnu izradu opruga postupcima rezanja, prešanja i namotavanja, koriste se hladno valjane čelične trake. Krutost opruge metalnih opruga ovisna je, kod vlačnih, tlačnih i savojnih opruga, o Youngovom modulu elastičnosti materijala opruge E, odnosno o smičnom modulu elastičnosti G kod torzijskih opruga.
Pri dimenzioniranju opruga bitno je da su naprezanja koja nastaju kao posljedica vanjskih opterećenja manja od dopuštenih. Dopuštena opterećena ovisna su, osim o korištenom materijalu, i o obliku opruge, načinu opterećenja i opasnosti od posljedica koje bi eventualno pucanje opruge prouzročilo. Općenito se dopuštena naprezanja određuju za pojedinu vrstu opruge posebno. Ako takvi podaci nisu na raspolaganju, dopuštena naprezanja opruge mogu se odrediti orijentacijski prema vlačnoj čvrstoći materijala Rm.