Степень жёсткости пружинного элемента определяется в зависимости от таких параметров, как:
- внешний диаметр – если он увеличивается диаметр, повышается и жёсткость;
- тип сырья, которое используется при изготовлении;
- диаметр прута;
- диаметр витков проволоки;
- форма пружины;
- количество витков.
Чтобы промышленное оборудование работало эффективно, необходимо, чтобы сжатие пружин в нём происходило с достаточным, но не избыточным усилием. Если использовать пружинные изделия с неподходящими параметрами, продукция получится бракованной (например, будет повышена вибрация). Показатель жёсткости с полным правом можно назвать одной из важнейших характеристик, указывающей на качество материала и определяющей длительность работы.
Жёсткость может быть как постоянной, так и переменной. Изделия, которые, деформируясь, сохраняют одну и ту же жёсткость, называют линейными. Прогрессивные пружины меняют жёсткость, когда изменяется положение витков.
Жёсткость и упругость пружины: в чём разница
Если на пружинное изделие воздействуют силы со стороны, оно изменяет свою длину и форму. Когда на него воздействуют снаружи, то появляется специфическая сила, обладающая такой же величиной и противоположным знаком. Эта сила служит для того, чтобы восстановить изначальный размер пружины и её образ. Первоначально, чтобы узнать, чему равна жёсткость пружины, проводились эксперименты. На пружинный элемент подвешивали грузы с разным весом и замеряли показатели растяжения. В процессе стало понятно, что при использовании разнообразных нагрузок появляется различная деформация изделия.
У силы упругости пружины электромагнитная природа происхождения. Этот параметр изменяется под воздействием сил, связывающих элементарные частицы, из которых состоит металл. Коэффициент упругости пружины возрастает с увеличением жёсткости, то есть деталь непросто растянуть или сжать. Параметр упругости отмечается при изготовлении пружинных изделий, так как учитывается при выборе материала.
Единицы измерения
Отвечая на вопрос, в чём измеряется жёсткость пружины, стоит сказать, что эта величина обозначается буквой k, D или c. Единица измерения жёсткости – Н/м (ньютон на метр) или кг/с2 (в СИ). K — это показатель, обозначающий жёсткость, это значение не изменяется. Буквой x обозначают число, которое показывает, как меняются линейные размеры изделия под нагрузкой.
Формула жёсткости: как определить и рассчитать
Когда мы воздействуем на деталь, она изменяет длину и форму. Как противодействие образуется специфическая сила с равной величиной и противоположным знаком. Задача этой силы — восстановить первоначальный размер и форму изделия.
Жёсткость представляет собой параметр, описывающий, как соотносятся сила воздействия и происходящие из-за неё изменения линейных размеров. Чем больше этот показатель, тем в меньшей степени деталь изменит свою длину, когда к ней прилагают силу.
Чтобы понять, как определить жёсткость пружины, следует обратиться к закону Гука.
Расчёт жёсткости определяется так:
k=F/х,
где k — жёсткость, F упр — это сила жёсткости, а x — показатель изменения линейных размеров после того, как пружина прекратила движение под нагрузкой.
Стоит учитывать, что закон Гука работает лишь при небольших деформациях. Когда деформация значительная, изменение длины не будет пропорционально приложенной силе. При серьёзных деформациях происходит разрушение тела.
Коэффициент жёсткости пружины
Коэффициент означает степень устойчивости изделия к нагрузкам и степень его сопротивления при воздействии внешних источников. Его можно рассчитать для пружин сжатия, растяжения, изгиба, кручения. Иногда производитель указывает, чему равен коэффициент. Если этих данных нет, коэффициент высчитывается при помощи специальной формулы:
kx = mg,
где:
k – коэффициент пружины с постоянной величиной;
x – степень изменения длины изделия;
m – масса;
g – постоянная величина, которая в физике определяется как ускорение свободного падения (равно примерно 9,8 м/с²).
Какова жёсткость пружины, можно вычислить и путём эксперимента. Для это потребуется сама пружина, обычная линейка и груз, который будет воздействовать на предмет. Деталь закрепляют вертикально и вешают на неё груз с известным весом.