При использовании пружин растяжения, сжатия, изгиба или кручения, важное значение имеет степень их надежности. Данный параметр определяют с помощью выявления степени устойчивости к физическому воздействию и сопротивления к нагрузкам. Речь в этом случае идет о жесткости пружины. Часто эту характеристику определяют как коэффициент упругости или Гука. При этом на степень жесткости пружины влияет материал изготовления и некоторые другие факторы.
Основные характеристики пружин
При выборе способа крепления пружины или при определении ее назначения учитываются основные характеристики изделия. К последним относятся:
- Жесткость. Важная характеристика, которая показывает возможную деформацию пружины, связанную с прилагаемой силой. При этом для пружин сжатия существует закон пропорциональности приложенной силы и деформации. На графике это отображается в виде прямой линии.
- Степень нагрузки. Данный показатель должен учитываться в процессе эксплуатации изделия, так как при превышении установленного предела нагрузки, возможно разрушение пружины.
- Коэффициент. Определяется соотношением диаметра материала, то есть проволоки и усредненного диаметра. Если второй показатель превышает норму, то при сжиманием возможно возникновение излишнего изгиба.
- Количество активных витков. На показатель жесткости оказывает большое влияние количество витков. Чем их больше, тем выше степень жесткости. При этом предусмотрен минимум по количеству — от двух витков и более.
- Высота. Важный параметр для определения способа крепления и места установки пружины.
Также для пружинных изделий учитывается направление навивки, которое может быть левым или правым. К числу важных характеристик также относятся: пластичность, релаксационная стойкость (показатель имеет значение для процесса обратимости деформации), прочность при воздействии динамических и ударных факторов.
Понятие жесткости - определение и обозначения
Жесткость – это важная характеристика пружины, которая определяет степень прилагаемой силы для ее сжатия. Данные два показателя находятся в прямой зависимости, чем больше последний, тем выше и первый параметр. Определить показатель деформации возможно, имея значение силы упругости или прилагаемого усилия. Также, зная параметры деформации, возможно определить показатели усилия.
Для обозначения жесткости используют букву k или c, а также D. Единицами измерения данного параметра является J/м, дин/см.
От чего зависит и на что влияет жесткость пружины?
На показатель жесткости пружинного изделия влияет внешний диаметр пружины. С повышением данного параметра увеличивается жесткость. Также для последней имеют значение:
- диаметр прута;
- форма пружины;
- количество витков.
Для нормальной работы производственного оборудования важно, чтобы установленные пружины сжимались не слишком легко и не очень тяжело. При необходимости высокой точности в процессе производства, пружины изготавливают по чертежам. Последствиями использования пружинных изделий несоответствующих параметров может стать выпуск бракованной продукции или сильная вибрация, к примеру, в автомобиле.
Коэффициент жесткости пружины
Коэффициент упругости или пропорциональности, в соответствии с законом Гука, определяют также, как коэффициент жесткости. Данная величина - это соотношение приложенной силы и изменения длины упругого элемента. На этот параметр влияют следующие факторы:
- особенности конструкции;
- форма изделия;
- геометрические параметры.
Данный коэффициент определяет степень устойчивости пружины к нагрузкам и параметры сопротивления при внешнем физическом воздействия.
Расчет коэффициента доступен для всех видов пружин: изгиба, сжатия, растяжения, кручения. При этом рассматривается два главных типа: с постоянной жесткостью или линейной, а также с жесткостью, которая зависит от положения витков.
Коэффициент может быть указан производителем. При отсутствии подобного обозначения используется специальная формула для расчета, которая определяет жесткость пружинного изделия через длину и массу.
Основная методика расчета жесткости (формула)
Воздействие внешних сил на пружину приводит к изменению ее длины и формы. При этом пружина сжатия или растяжение может удлиняться или укорачиваться. По закону Гука или формуле расчета жесткости пружины, которая используется для определения коэффициента, деформация и сила прямо пропорциональны в пределах, которые установлены для упругости определенного вещества.
Когда извне осуществляется физическое воздействие на изделие в качестве противодействия ему возникает определенная сила, которая имеет равную величину, но противоположный знак. Данная сила направлена на восстановление первоначального размера пружины, а также ее формы.
Для силы упругости характерна электромагнитная природа происхождения, так как процесс формирования данного параметра связан со взаимодействием, происходящим между атомами и молекулами исходного материала, который использовался для изготовления пружин. Соответственно, с повышением жесткости, сложнее растянуть и сжать деталь. Речь в этом случае идет о повышении коэффициента упругости. Так как этот. показатель важен при изготовлении пружин, то при решении определенных задач учитывается указанный параметр, что влияет на выбор материала.
Изначально формула расчета жесткости пружинного изделия или закон Гука была установлена экспериментальным путем. Так на пружину подвешивали грузы с различной массой и измеряли показатели растяжения. В результате была определено отличие деформации для одной и той же детали в результате использования разных нагрузок. Гирьки, которые были подвешены с помощью проволоки, уменьшали или увеличивали длину пружины на такой же показатель величины, какой был характерен для них, при их добавлении или уменьшении количества.
Для создания формулы расчета коэффициента пружины был проведен ряд экспериментов, в результате чего было выявлено, что вычислить указанный параметр можно следующим образом:
kx = mg, где
k – коэффициент пружины с постоянной величиной,
x – степень изменения длины пружинного изделия
m – масса,
g – постоянная величина, которую физика определяет как параметр свободного падения ( равен примерно – 9,8 м/с²).
Указанная формула широко применяется в промышленной сфере.
Измерение параметров жесткости пружин разных типов
Широкое применение пружин во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве, и в других сферах, вызывает необходимость в точных измерениях параметров жесткости. Последний показатель важен для соответствия изделия поставленным рабочим задачам. Для разного оборудования пружина должна иметь оптимальные характеристики жесткости и изготавливаться из определенного материала.
Определение параметров жесткости, влияющих на степень деформации, осуществляется с учетом материала, из которого изготовлено изделие. При расчете также важен диаметр витков (Dw) и диаметр пружины(Dm). Третьим необходимым параметром является количество витков, обозначается — Na.
Жесткость вычисляется по формуле:
k=G*(Dw)^4/8 * Na * (Dm)^3, в которой
G — это модуль сдвига относительно оси, который для каждого материала находят индивидуально в специальной таблице.
Для вычисления жесткости пружины, к примеру, цилиндрической, используют формулу:
k=F/L, в которой
L — это длина, F — сила воздействия, при этом
L1 – длина без груза;
L2 – длина с грузом.
L = L2 – L1.
Нельзя сказать, что существует зависимость степени жесткости и распрямления. Способность изделия возвращаться в изначальное состояние зависит от нескольких факторов.
Предыдущая 
