что означает жесткость пружины
Физика подвески и рулевого управления. Часть 1. Пружины
Начинаю новую рубрику записей, посвященную немаловажным узлам автомобиля — подвеска и рулевое управление. Если в Ваших планах нет изменения конструкции авто, то расчеты, которые мы будем здесь проводить, наврядли будут Вам полезны. Но вот если в планах доработка авто, то они придутся в самый раз.
Почему я решил начать данную рубрику? Потому что тюнинг авто необходимо начинать с подвески и тормозов. В большинстве случаев модернизация подвески производится методом перебора запчастей, что неслабо бьет по карману. Здесь я постараюсь рассмотреть задачи, которые помогут сэкономить время и деньги, тем самым получить желаемый результат.
Сегодня я напишу про такую простую деталь автомобиля как пружина подвески. Зачастую модернизация подвески начинается именно с этого узла. Почему? Ну, если спросить профессионального тюнера или гонщика, то он ответит, что это необходимо для настройки баланса автомобиля при торможении и в поворотах. Ну, а сели спросить владельца какой-нибудь заниженной Приоры, то, скорее всего, ответ будет: потому что круто смотрится=)
Итак, пружина подвески — это деталь, которая обеспечивает реакцию изменения клиренса на силовое воздействие дорожного покрытия или в результате маневров автомобиля. Кроме того, пружина с аммортизатором обеспечивают и стационарный клиренс.
Работает пружина просто: при воздействии некоторой силы происходит её сжатие на конкретную величину. Эта величина находится из закона Гука:
где х — это изменение длины,
F — действующая на пружину сила,
k — коэффициент жесткости.
В стационарном состоянии (т.е. когда авто не подвижен) силой является вес автомобиля. При развесовке автомобиля по осям 50/50 и наклоне оси пружины 0 градусов на каждую пружину действует сила, равная:
F = mg / 4,
где
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения.
Тут нужно отметить следующие моменты:
1. Развесовка 50/50 — это редкость
2. Нулевой наклон оси пружины — тоже редкость.
Тогда перепишем силу, действующую на реальную пружину подвески:
где
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения,
Y — коэффициент развесовки на данную ось (при развесовке 60 перед, 40 зад он будет равен 0,6 для передней пружины, 0,4 для задней),
а — угол наклона пружины.
Если же пружина работает в паре в газовым аммортизатором, то в стационарном состоянии на пружину действует меньшая сила:
F = mg * Y* cos(a) /2 — N,
где:
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения,
Y — коэффициент развесовки на данную ось (при развесовке 60 перед, 40 зад он будет равен 0,6 для передней пружины, 0,4 для задней),
а — угол наклона пружины,
N — сила реакции штока.
Теперь об изменении длины под действием силы. Как мы разобрались ранее данная величина находится из закона Гука:
Если с силами мы разобрались, то теперь поговорим о коэффициенте жесткости пружины. Для идеально цилиндрической пружины он равен:
k = G * d^4 / ( 8 * n * (D-d)^3 ),
где:
G — модуль сдвига (зависит от материала пружины),
d — диаметр прутка,
n — количество витков,
D — наружний диаметр пружины.
Какие выводы можно сделать?
1. Коэффициент жесткости не зависит от длины пружины, но зависит от количества витков, поэтому когда мы срезаем один или два витка, происходит увеличение коэффициента жесткости.
2. Увеличение толщины прутка на 10 процентов при тех же остальных параметрах дает увеличение коэффициента жесткости почти на 50 процентов. Это связано с тем, что коэффициент жесткости прямопропорционален диаметру прутка в четвертой степени.
3. Коэффициент жесткости зависит от материала, из которого сделана пружина.
Теперь поговорим о клиренсе в стационарном режиме. Клиренс определяется как раз изменением длины пружины под действием силы тяжести.
Если мы хотим сохранить клиренс, но ужесточить подвеску, нам необходимо изменить параметр х в сторону уменьшения за счет увеличения коэфициента жесткости, при этом на столько же, насколько изменили значение х, необходимо выбрать пружину короче. Если мы увеличим только жесткость, но при этом длина пружина останется прежней, авто станет жестче, но при этом приподнимется.
Если мы хотим приподнять машину, но сохранить жесткость, то необходимо использовать более длинные пружины, но с тем же коэффициентом жесткости. На чем хотелось бы сакцентировать внимание: если происходит изменение клиренса одной из осей, а клиренс второй оси остается прежний, то автоматически происходит изменение распределения веса по осям. Если мы приподняли заднюю часть, то баланс веса смещается вперед, соответственно, сила, действующая на задние пружины становится меньше, а значит и параметр х тоже уменьшается. Этот прием часто применяется для снижения вероятности пробуксовки передней оси на переднеприводных автомобилях. Наиболее популярный метод сохранения жесткости с увеличением клиренса — это установка проставок под те же пружины или на опорную чашку. При таком подходе сама пружина сжимается под весом авто почти так же, как и до доработки, с небольшой поправкой на перераспределение веса по осям, но за счет проставок дорожный просвет увеличивается на толщину проставки.
Параметр х очень важен для стойки, так как у штока аммортизатора имеется некоторый участок примерно в треть длины, который в стационарном состоянии должен находиться внутри аммортизатора. Это необходимо для того, чтобы аммортизатор работал не только на отбой, но и на разгрузку. Если Вы поставите пружины настолько жесткие, что после опускания автомобиля с домкрата пружина не сожмется на необходимый ход штока, то в процессе эксплуатации аммортизаторы очень быстро выйдут из строя. Кроме того, неправильно подобранное значение х повлияет и на управляемость автомобиля — неправильно настроенная ось будет подпрыгивать на каждой кочке и в поворотах.
Ну, и в заключение поговорим о понятии «преднатяг». Если пружина ставится соосно с аммортизатором, то преднатяг определяется разницей между длиной пружины и длиной вытянутого штока. Т.е. это та часть значения х, которая сохраняется даже при подъеме авто на подъемнике. На само значение х преднатяг не влияет. Если говорят, что преднатяг нулевой, то это значит, что при разборе и сборе стойки Вам не понадобятся стяжки пружин.
На сим все!
Аккуратнее экспериментируйте с ходовой частью;)
Жесткость пружины. Как рассчитать.
Измерение параметров жесткости пружин разных типов
При производстве на предприятии и для применения необходимо определить способность пружины выдерживать определенные типы нагрузок. Для этого высчитывается т.н. коэффициент Гука – обозначение жесткости пружины, от которого зависит её надёжность. На этот параметр влияет материал, выбранный для изготовления. Это может быть сталь, легированная кремнием, ванадием, марганцем, другими добавками. Также применяются нержавейка, бериллиевая и кремнемарганцевая бронза, сплавы на основе никеля и титана.
Если деталь выпускается для применения при высоких нагрузках, экстремальных температурах, используются специальные марки легированной стали. Нижегородская метизная корпорация имеет возможность производить пружины под заказ, создавая изделия с заданными характеристиками.
Что такое жесткость?
Говоря о практике, а не физических терминах, это сила, приложив которую, можно сжать пружину. Если вы знаете прилагаемое усилие, можно определить, какой будет деформация, и наоборот. Это существенно облегчает вычисления.
Коэффициент высчитывается для пружин кручения, растяжения, изгиба, сжатия – всех наиболее популярных в промышленности разновидностей этого изделия. Также следует отметить два основных типа:
Часто производитель наносит на готовую продукцию пометку краской. Если такого обозначения нет, применяется формула определения жесткости пружины через массу и длину, упрощающая задачу. Она изначально разрабатывалась для пружин растяжения, была получена методом измерения соответствия массы грузы с изменениями геометрии.
Какие вводные данные требуются?
При расчёте важно знать следующую информацию:
Таким образом, к коэффициенту жесткости пружинного механизма может применяться формула:
Переменная G означает модуль сдвига. Это значение можно найти в таблицах для разных материалов. К примеру, у пружинной стали G=78,5 ГПа.
Далее разберемся, как определить жесткость пружины по формуле:
Длина L бывает двух типов:
Например, 100-граммовая гиря, закреплённая в нижней части, воздействует с силой F, равной 1 Н. Получаем разницу между двумя показателями длины:
При этом следует уточнить, что степень жесткости не определяет распрямление в исходное состояние. На него воздействуют сразу несколько факторов.
Насколько важен показатель, и на что он влияет?
Характеристики пружины важны не только для соответствия ГОСТам и проведения сертификации. Они влияют на сроки эксплуатации изделий, в которых используются, а это огромное количество приборов, деталей, механизмов, от мебели, до различных транспортных средств.
Поэтому данная величина напрямую влияет на надёжность готовых изделий, оборудования, техники, в которых используются элементы, содержащие пружины.
Часто люди интересуются, как рассчитать жесткость пружины цилиндрической винтовой. Для таких случаев учитывается не только модуль сдвига, но и параметр Rs – напряжение, допускаемое при кручении. Здесь в расчёт берётся тип материала, его физические свойства, механические характеристики.
Следующий вопрос – в чем измеряется коэффициент жесткости пружины при расчётах. Традиционно в системе измерений, принятой в нашей стране принято записывать значение в Н/м – ньютонах на один метр. Также это значение в качестве альтернативного варианта может записываться в килограммах на квадратный сантиметр, дин/см, граммах на квадратный сантиметр (расчёты в системе СГС).
Жесткость пружины — формула и примеры расчетов
При внешнем воздействии тело ускоряется либо деформируется. Последнее явление проявляется изменением форм или размеров. Если объект восстанавливается в покое на 100%, деформация называется упругой (резинка), а в остальных случаях — пластической (лепка изделий из глины). Для вычисления первого показателя используется формула жесткости пружины (F = k · x).
Трактовка понятий
В физике упругая деформация возникает из-за силы, равной по модулю оказываемому воздействию. Сила упругости для пружины (F) пропорциональна её удлинению. Для определения жесткости пружины зависимость записывается математически с помощью следующей формулы: F = k·x; где х — длина предмета после его растяжения, а k — коэффициент жесткости.
Формула считается частным случаем закона Гука, который используется для растяжимого тонкого стержня. Чрезмерное воздействие приводит к появлению разных дефектов. Для процесса характерны некоторые особенности, от чего зависит жесткость пружины:
На практических занятиях по физике в 7 классе применяются изделия разных типов. В автомобилестроении используется цветовое обозначение. Для расчета коэффициента жесткости пружины специалисты ориентируются на формулу k=Gd 4 /8D 3 n, где:
С помощью формулы может измеряться жёсткость цилиндрической пружины, используемой в разных механизмах. Показатель измеряется в Ньютонах и обозначается Н.
Практические занятия
Механики и физики обозначают с помощью k, c и D коэффициент упругости, пропорциональности, жесткости. Смысл математической записи одинаковый. Численно показатель равняется силе, которая создаёт колебания на одну единицу длины. На практических работах по физике используется в качестве последней величины 1 метр.
Чем выше k, тем больше сопротивление предмета относительно деформации. Дополнительно коэффициент показывает степень устойчивости тела к колебаниям со стороны внешней нагрузки. Параметр зависит от длины и диаметра винтового изделия, количества витков, сырья. Единица измерения жесткости пружины — Н/м.
На практике перед школьниками и механиками может стоять более сложная задача, к примеру, найти общую жёсткость. В таком случае пружины соединены последовательным либо параллельным способом. В первом случае уменьшается суммарная жесткость. Если пружины расположены последовательно, используется следующая формула: 1/k = 1/k1 + 1/k2 + … + 1/ki, где:
Если невесомые (расположены горизонтально) предметы соединены параллельно, значение общего k будет увеличиваться. Величина вычисляется по следующей формуле: k = k1 + k2 + … + ki.
Основная методика для вычислений
На практике коэффициент Гука определяется самостоятельно. Для эксперимента потребуется пружина, линейка, груз с определённой массой. Необходимо соблюдать следующую последовательность действий:
Если вышеописанные вычисления произведены, необходимо найти значение коэффициента жёсткости. Используется закон Гука, из которого следует, что k=F/x.
Решение задач
Для нахождения жёсткости в случае использования разных предметов, включая пружинные маятники с разной частотой колебаний, применяется формула Гука либо следствие, вытекающее из неё.
Задача № 1. Пружина имеет длину 10 см. На неё оказывается сила в 100 Н. Изделие растянулось на 14 см. Нужно найти k.
Решение: предварительно вычисляется абсолютное удлинение: 14−10=4 см. Результат переводится в метры: 0,04 м. Используя основную формулу, находится k. Его значение равняется 2500 Н/м.
Задача № 2. На пружину подвешивается груз массой 10 кг. Изделие растягивается на 4 см. Нужно найти длину, на которую растянется пружина, если использовать груз массой в 25 кг.
Решение: Определяется сила тяжести путем умножения 10 кг на 9.8. Результат записывается в Ньютонах. Определяется k=98/0.04=2450 Н/м. Рассчитывается, с какой силой воздействует второй груз: F=mg=245 Н. Для нахождения абсолютного удлинения используется формула x=F/k. Во втором случае х равняется 0,1 м.
Применение цилиндрических пружин
На производстве наиболее востребованы цилиндрические пружины, так как они обладают уникальными особенностями. При создании системы отмечается центральная ось, вдоль которой действуют разные силы. В процессе изготовления подобных изделий используется проволока соответствующего диаметра.
Для её изготовления понадобится специальный сплав либо обычные металлы. Сам материал должен обладать высокой упругостью. Проволока может иметь витки одного диаметра либо разных радиусов. Большим спросом пользуются цилиндрическая пружина, которая в сжатом состоянии обладает незначительной толщиной.
Главными параметрами изделия считаются:
В задачах по физике вычисляется k для двух состояний: растяжение и сжатие. В любом случае используется одна формула для определения величины. Разница понятий:
Отдельно рассматриваются варианты на изгиб и кручение. Такие детали рассчитываются по специальным формулам. Для разных соединений характерны определённые особенности. Чтобы провести определения растяжения, учитывается момент теста.
Показатель зависит от характеристик проволоки, оказываемой силы либо массы тела. Для всех систем используются разные формулы, но полученные результаты не имеют погрешностей. Чтобы провести тесты для вычисления основных параметров, используется специальное оборудование. Простые задачи с деформацией пружин решают ученики на уроках физике в 7−8 классе. О параллельном и последовательном соединении элементов системы узнают учащиеся старших классов.
Коэффициент жесткости пружины
Пружины можно назвать одной из наиболее распространенных деталей, которые являются частью простых и сложных механизмов. При ее изготовлении применяется специальная проволока, накручиваемая по определенной траектории. Выделяют довольно большое количество различных параметров, характеризующих это изделие. Наиболее важным можно назвать коэффициент жесткости. Он определяет основные свойства детали, может рассчитываться и применяться в других расчетах. Рассмотрим особенности подобного параметра подробнее.
Определение и формула жесткости пружины
При рассмотрении того, что такое коэффициент жесткости пружины следует уделить внимание понятию упругости. Для ее обозначения применяется символ F. При этом сила упругости пружины характеризуется следующими особенностями:
Не стоит забывать о том, что жесткость – характеристика, свойственная упругим телам, способным деформироваться. Довольно распространенным вопросом можно назвать то, как обозначается жесткость пружины на чертежах или в технической документации. Чаще всего для этого применяется буква k.
Слишком сильная деформация тела становится причиной появления различных дефектов. Ключевыми особенностями можно назвать следующее:
Довольно большое распространение получили красные пружины и другого типа. Цветовое обозначение применяется в случае производства автомобильных изделий. Для расчета применяется следующая формула: k=Gd 4 /8D 3 n. В этой формуле указываются нижеприведенные обозначения:
Рассматриваемая формула применяется в случае расчета коэффициента жесткости для цилиндрических пружин, которые устанавливаются в самых различных механизмах. Подобная единица измеряется в Ньютонах. Коэффициент жесткости для стандартизированных изделий можно встретить в технической литературе.
Формула жесткости соединений пружин
Не стоит забывать о том, что в некоторых случаях проводится соединение тела нескольким пружинами. Подобные системы получили весьма широкое распространение. Определить жесткость в этом случае намного сложнее. Среди особенностей соединения можно отметить нижеприведенные моменты:
В обеих случаях применяется определенная формула, которая определяет особенности подключения. Модуль силы упругости может существенно отличаться в зависимости от особенностей конкретного изделия.
При последовательном соединении изделий показатель рассчитывается следующим образом: 1/k=1/k1+1/k2+…+1/kn. Рассматриваемый показатель считается довольно важным свойством, в данном случае он снижается. Параллельный метод подключения рассчитывается следующим образом: k=k1+k2+…kn.
Подобные формулы могут использоваться при самых различных расчетах, чаще всего на момент решения математических задач.
Коэффициент жесткости соединений пружин
Приведенный выше показатель коэффициента жесткости детали при параллельном или последовательном соединении определяет многие характеристики соединения. Довольно часто проводится определение тому, чему равно удлинение пружины. Среди особенностей параллельного или последовательного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:
Для проведения расчетов нужно построить схему подключения всех элементов. Основание представлено линией со штриховкой, изделие обозначается схематически, а тело в упрощенном виде. Кроме этого, от упругой деформации во многом зависит кинетическая и другая энергия.
Коэффициент жесткости цилиндрической пружины
На практике и в физике довольно большое распространение получили именно цилиндрические пружины. Их ключевыми особенностями можно назвать следующие моменты:
Не стоит забывать о том, что выделяют два типа деталей: сжатия и растяжения. Их коэффициент жесткости определяется по одной и той же формуле. Разница заключается в следующем:
Расчет коэффициента цилиндрической пружины может проводится при использовании ранее указанной формулы. Она определяет то, что показатель зависит от следующих параметров:
Коэффициент жесткости считается одним из наиболее важных параметров, который учитывается при проведении самых различных расчетов.
Единицы измерения
При проводимых расчетах также должно учитываться то, в каких единицах измерениях проводятся вычисления. При рассмотрении того, чему равно удлинение пружины уделяется внимание единице измерения в Ньютонах.
Для того чтобы упростить выбор детали многие производители указывают его цветовым обозначением.
Разделение пружины по цветам проводится в сфере автомобилестроения.
Среди особенностей подобной маркировки отметим следующее:
Как правило, подобное свойство отмечается на внешней стороне витка. Производители наносят небольшую полоску, которая и существенно упрощает процесс выбора.
Особенности расчета жесткости соединений пружин
Приведенная выше информация указывает на то, что коэффициент жесткости является довольно важным параметром, который должен рассчитываться при выборе наиболее подходящего изделия и во многих других случаях. Именно поэтому довольно распространенным вопросом можно назвать то, как найти жесткость пружины. Среди особенностей соединения отметим следующее:
Как ранее было отмечено, выделяют последовательный и параллельный метод соединения. Оба характеризуются своими определенными особенностями, которые должны учитываться.
В заключение отметим, что рассматриваемая деталь является важной частью конструкции различных механизмов. Неправильный вариант исполнения не сможет прослужить в течение длительного периода. При этом не стоит забывать о том, что слишком сильная деформация становится причиной ухудшения эксплуатационных характеристик.
Трактовка понятий
В физике упругая деформация возникает из-за силы, равной по модулю оказываемому воздействию. Сила упругости для пружины (F) пропорциональна её удлинению. Для определения жесткости пружины зависимость записывается математически с помощью следующей формулы: F = k·x; где х — длина предмета после его растяжения, а k — коэффициент жесткости.
Формула считается частным случаем закона Гука, который используется для растяжимого тонкого стержня. Чрезмерное воздействие приводит к появлению разных дефектов. Для процесса характерны некоторые особенности, от чего зависит жесткость пружины:
На практических занятиях по физике в 7 классе применяются изделия разных типов. В автомобилестроении используется цветовое обозначение. Для расчета коэффициента жесткости пружины специалисты ориентируются на формулу k=Gd 4 /8D 3 n, где:
С помощью формулы может измеряться жёсткость цилиндрической пружины, используемой в разных механизмах. Показатель измеряется в Ньютонах и обозначается Н.
Практические занятия
Механики и физики обозначают с помощью k, c и D коэффициент упругости, пропорциональности, жесткости. Смысл математической записи одинаковый. Численно показатель равняется силе, которая создаёт колебания на одну единицу длины. На практических работах по физике используется в качестве последней величины 1 метр.
Чем выше k, тем больше сопротивление предмета относительно деформации. Дополнительно коэффициент показывает степень устойчивости тела к колебаниям со стороны внешней нагрузки. Параметр зависит от длины и диаметра винтового изделия, количества витков, сырья. Единица измерения жесткости пружины — Н/м.
На практике перед школьниками и механиками может стоять более сложная задача, к примеру, найти общую жёсткость. В таком случае пружины соединены последовательным либо параллельным способом. В первом случае уменьшается суммарная жесткость. Если пружины расположены последовательно, используется следующая формула: 1/k = 1/k1 + 1/k2 + … + 1/ki, где:
Если невесомые (расположены горизонтально) предметы соединены параллельно, значение общего k будет увеличиваться. Величина вычисляется по следующей формуле: k = k1 + k2 + … + ki.
Основная методика для вычислений
На практике коэффициент Гука определяется самостоятельно. Для эксперимента потребуется пружина, линейка, груз с определённой массой. Необходимо соблюдать следующую последовательность действий:
Если вышеописанные вычисления произведены, необходимо найти значение коэффициента жёсткости. Используется закон Гука, из которого следует, что k=F/x.
Решение задач
Для нахождения жёсткости в случае использования разных предметов, включая пружинные маятники с разной частотой колебаний, применяется формула Гука либо следствие, вытекающее из неё.
Задача № 1. Пружина имеет длину 10 см. На неё оказывается сила в 100 Н. Изделие растянулось на 14 см. Нужно найти k.
Решение: предварительно вычисляется абсолютное удлинение: 14−10=4 см. Результат переводится в метры: 0,04 м. Используя основную формулу, находится k. Его значение равняется 2500 Н/м.
Задача № 2. На пружину подвешивается груз массой 10 кг. Изделие растягивается на 4 см. Нужно найти длину, на которую растянется пружина, если использовать груз массой в 25 кг.
Решение: Определяется сила тяжести путем умножения 10 кг на 9.8. Результат записывается в Ньютонах. Определяется k=98/0.04=2450 Н/м. Рассчитывается, с какой силой воздействует второй груз: F=mg=245 Н. Для нахождения абсолютного удлинения используется формула x=F/k. Во втором случае х равняется 0,1 м.
Применение цилиндрических пружин
На производстве наиболее востребованы цилиндрические пружины, так как они обладают уникальными особенностями. При создании системы отмечается центральная ось, вдоль которой действуют разные силы. В процессе изготовления подобных изделий используется проволока соответствующего диаметра.
Для её изготовления понадобится специальный сплав либо обычные металлы. Сам материал должен обладать высокой упругостью. Проволока может иметь витки одного диаметра либо разных радиусов. Большим спросом пользуются цилиндрическая пружина, которая в сжатом состоянии обладает незначительной толщиной.
Главными параметрами изделия считаются:
В задачах по физике вычисляется k для двух состояний: растяжение и сжатие. В любом случае используется одна формула для определения величины. Разница понятий:
Отдельно рассматриваются варианты на изгиб и кручение. Такие детали рассчитываются по специальным формулам. Для разных соединений характерны определённые особенности. Чтобы провести определения растяжения, учитывается момент теста.
Показатель зависит от характеристик проволоки, оказываемой силы либо массы тела. Для всех систем используются разные формулы, но полученные результаты не имеют погрешностей. Чтобы провести тесты для вычисления основных параметров, используется специальное оборудование. Простые задачи с деформацией пружин решают ученики на уроках физике в 7−8 классе. О параллельном и последовательном соединении элементов системы узнают учащиеся старших классов.