Настройка жёсткости пружин химическим способом

Содержание

О понятии жесткости. Жесткость пружины: формула

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Определение

Жёсткостью пружины называют коэффициент, который связывает силу прилагаемую к ней с удлинением или сжатием.

Посмотрите на закон Гука.

Формула

Зако́н Гу́ка — утверждение, согласно которому, деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. д.), пропорциональна приложенной к этому телу силе.

k – это и есть жёсткость пружины.

Fупр — сила жесткости или упругости пружины.

x — расстояние, на которое изменилась длина изделия после того как та была уравновешена.

Минус в формуле свидетельствует о том, что сила F имеет по сравнению с нагрузкой противоположное направление.

Закон Гука является одним из основных законов физики.

Как найти жесткость пружины? Формулу из выше приведённого уравнения понять достаточно легко:

Коэффициент жесткости пружины можно вычислить и экспериментальным путём. Для этого нужно подвесить на вертикально закреплённую пружину груз с известной массой.  

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Имеем два уравнения:

Т. к. Fупр =Fтяж, получаем

Отсюда разделив обе части уравнения на x, найдём, что жёсткость равна

Массу самой пружины считаем равной нулю. Для исключения случайных ошибок проводим несколько измерений с грузами разной массы.

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Контрольная

| от 300 ₽ |

Реферат

| от 500 ₽ |

Курсовая

| от 1 000 ₽ |

Нужна помощь

Как рассчитать жесткость цилиндрической пружины

В плоской пружине в момент её изгиба расстояния между молекулами, находящимися в одном месте уменьшаются, а в другом увеличиваются. Сила электромагнитных межмолекулярных связей стремится вернуть изделие в прежнее положение.

С цилиндрической пружиной всё несколько иначе. В ней энергия запасается не из-за деформации изгиба, а благодаря скручиванию проволоки вдоль своей оси навивания.

Давайте мысленно увеличим выполненное перпендикулярно её оси плоскостью сечение проволоки. Это нам позволит не учитывать спиральную форму изделия. Разобьём весь объём проволоки на очень много касающихся друг друга своими торцами цилиндров. Их диаметр совпадает с диаметром проволоки, а высота бесконечно мала. Торцам не дают разъединится действующие между ними межмолекулярные силы. Именно они препятствуют деформации.

Когда пружина растягивается или сжимается, цилиндры вынуждены вращаться друг относительно друга в противоположных направлениях вокруг общей оси. В каждом из сечений запасается некоторая энергия. Отсюда легко сделать вывод, что чем проволока длиннее, тем больше энергии такая пружина способна запасти. Увеличение проволоки по диаметру тоже способствует возрастанию её энергоёмкости.

Окончательная формула для жёсткости цилиндрической пружины такова:

Буквой R у нас обозначен радиус цилиндра пружины, n – количество витков проволоки, r—её радиус, G – коэффициент, индивидуальный для материала проволоки.

Чтобы по данной формуле сделать расчёт жёсткости, достаточно просто подставить вместо букв, обозначающих величины, их числовые значения.

Анна Краснова — Бакалавр физики

Умеешь писать статьи?Разбираешься в теме?

Начни писать статьи на заказ!

Популярные статьи

Итоги аграрной реформы Столыпина П.А.
История

Кодирование информации
Информатика

Источники российского права
Право и юриспруденция

Жизненный цикл клетки
Биология

Вынесение за скобки общего множителя: правило, примеры
Математика

Что такое биссектриса угла в геометрии
Математика

Важнейшие химические и физические свойства белков
Химия

Социальный контроль. Функции, содержание и механизмы социального контроля
Социология

Инфляция спроса и предложения
Экономика

Виды инфляции
Экономика

Технология холодной навивки с закалкой и отпуском

Первые этапы технологии совпадают с предыдущим процессом. На стадии термообработки начинаются изменения. Она проводится в несколько этапов:

  • Закалка. Заготовку нагревают до заданной температуры, выдерживают от 2 до 3 часов. Далее подвергают скоростному охлаждению, погружая в емкость с минеральным маслом или солевым раствором. В ходе стадии закалки заготовки должны находиться в горизонтальном положении. Это позволит избежать из деформации
  • Отпуск. Заготовку нагревают до 200-300° и выдерживают несколько часов для снятия внутренних напряжений и улучшения упругих свойств.

Далее также проводятся измерительные и контрольные операции. Прошедшие контроль заготовки направляют на пескоструйную обработку для снятия окалины. При необходимости следует сделать также и дробеструйную обработку для повышения прочности поверхностного слоя металла.

Завершает процесс нанесение защитного покрытия.

Совместимость пружин от Нивы и Шнивы

Пружины на Ниву Шевроле от обычной Нивы ВАЗ-2123 не подходят. Причиной тому являются отличия по длине. Рассмотрим основные технические параметры этих элементов.

Наименование параметра ВАЗ-2121 Нива ВАЗ-2123 Shevrolet Niva
Передние
Диаметр прутка 15,2 мм 15,7 мм
Длина 278 мм 313 мм
Жесткость 74,42 кг/см 75 кг/см
Нагрузка 815 кг 815 кг
Задние
Диаметр прутка 13 мм 13,9 мм
Длина 434 мм 410 мм
Жесткость 22,44 кг/см 30 кг/см
Нагрузка 483 кг 483 кг

Из таблицы сравнения видно, что не соответствует свободная длина рассматриваемых деталей, что и является причиной невозможности установки, так как пружины от Нивы короче.

Технология изготовления: тарельчатые, плоские, спиральные и пластинчатые пружины

Суть технологии производства:

  • Заготовки предварительно обрабатывают – резка/ фрезеровка/ штамповка (вырубка по контуру, создание отверстий) – зависит от типа пружины, используемого материала и пожеланий заказчика + закалка.
  • Затем детали механически очищают от неровностей и заусенцев.
  • Изделиям придают требуемую геометрию (их загибают, сверлят в них отверстия, зачищают и т.д.).
  • Затем следует этап термической обработки (стальные детали обычно подвергают закаливанию и отпуску, бронзовые – дисперсионному твердению в вакуумной печи).
  • Следующий этап – механическая обработка (пескоструйное покрытие, обработка дробью для прочности).
  • Нанесение антикоррозийного покрытия (опционально).
  • Старение детали для прочности.
Популярные статьи  Штукатурный шаблон-угольник для наружных углов

Плоские, тарельчатые, пластинчатые и спиральные пружины производят на эксцентриковых прессах из стали различных марок и бериллиевых бронз. Как правило, для создания пружин этих типов за основу берут листовой, ленточный или полосовой прокат.

Мы предлагаем изготовление пружин этого типа на заказ, у нас большой ассортимент упругих элементов всех видов.

Как технологии производства пружин зависят от диаметров проволоки:

Малый диаметр

Пружины с поперечным сечением в диапазоне 0,2-4 мм

Холодная навивка, торцевание, термообработка, обжатие, заневоливание (горячее или холодное).

Средний диаметр

Пружины с поперечным сечением в диапазоне 4-12 мм

Холодная и горячая навивка с технологией, аналогичной вышеописанной технологии производства пружин с малым сечением.

Большой диаметр

Пружины с поперечным сечением в диапазоне 12-50 мм

Подходит только горячий способ навивки с предварительной оттяжкой концов или без. Остальные манипуляции аналогичны вышеописанным.

Нестандартные пружины на заказ

В эту категорию попадают упругие элементы нетипичных форм и размеров с поперечным сечением 0,2-50 мм.

Обходится такой «штучный товар» дороже, ведь необходимо перенастраивать оборудование под нетипичный формат деталей. Сюда относятся пружины для экспериментального, узкоспециализированного или единичного оборудования. Как пример «неформата» – пружины сжатия из прутков с квадратным сечением или полосового проката.

Как правило, для создания нетипичных упругих элементов используют не стандартные пружинонавивочные автоматы, а переоборудованные токарно-винторезные станки или оборудование, разработанное под конкретную партию. Такое происходит реже, но мы выполняем изготовление пружин на заказ не первый год – даже самые нестандартные требования и пожелания – для нас не помеха, детали уточняйте у наших консультантов.

На сколько поднимется машина от проставок?

После того, как вы приняли решение об установке таких деталей на свое транспортное средство, у вас вполне закономерно возникнет вопрос – на сколько же увеличится дорожный просвет вашего автомобиля? Здесь все зависит от следующих факторов:

  • толщины проставок под опоры, пружины, стойки или амортизаторы;
  • массы транспортного средства – чем она меньше, тем больше будет высота подъема;
  • состояния пружин или стоек – чем они новее, тем выше будет величина клиренса;
  • типа подвески.

Что касается последней характеристики, то здесь необходимо отметить следующий факт – при мостовой схеме подвески клиренс увеличится строго на толщину проставки, тогда как при многорычажной конструкции высота дорожного просвета увеличится на немного большее значение, нежели толщина установленного изделия.

Как увеличить грузоподъемность подвески?

Перед владельцами коммерческой техники часто встает вопрос: как увеличить грузоподъемность автомобиля. Скажем, вы перевозите строительные смеси в фургоне: его внутренний объем позволяет грузить больше, но при этом кузов автомобиля проседает, задняя подвеска выбирает весь ход и даже на малейшей кочке срабатывает до отбойника (что такое пробой подвески ?) . Значит, вы ограничены не объемом кузова, а грузоподъемностью автомобиля.

Увеличение грузоподъемности – это целый комплекс работ. Ведь с ростом полной массы растут и нагрузки на все узлы и детали: пружины (что такое пружина подвески ?) , амортизаторы (что такое амортизатор ?) , трансмиссию, тормозную систему. Проще говоря, нет никакого смысла заниматься увеличением грузоподъемности автомобиля: лучше сразу купить другую, более подходящую по характеристикам модель.

Но есть некий компромиссный вариант, который позволит вам перевозить больше при минимальных затратах. Речь идет о доработке (или, если хотите, увеличении грузоподъемности) штатной подвески. По сути именно она не позволяет загрузить тот самый фургон строительными смесями. Конечно, в данном случае нужно понимать, что конструктивно автомобиль остается тем же. Взяв на борт дополнительную полезную нагрузку, желательно не забывать об этом при езде: держать достаточную дистанцию и избегать резких торможений, плавно переключать передачи, избегать резких поворотов на высоких скоростях… Словом, быть осторожным и внимательным.

Так как же достигается увеличение грузоподъемности подвески? Понятно, что в данном случае стоит задача в первую очередь уменьшить проседание кузова. Самый простой способ – установить более жесткие пружины, если такие можно купить. Весьма популярен и другой вариант «грузового тюнинга»: установка пружин меньшего размера в полость штатных. В таком случае при минимальной нагрузке подвеска работает в обычном режиме (верхний виток маленькой пружины не касается опоры), а при ее увеличении верхняя опора входит в контакт с дополнительной пружиной, и жесткость подвески возрастает. В рессорных подвесках помогает установка дополнительных рессор (что такое рессора ?) .

Однако, такой способ увеличения грузоподъемности технически не всегда возможен. Значит, необходимо сделать более жесткими штатные пружины. Еще во времена СССР водители универсалов и «каблуков» часто использовали для этого… мячи для большого тенниса.

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Вставляя их между витками пружин, они, таким образом, по сути добавляли в подвеску дополнительные упругие элементы. Более современным решением сегодня являются специальные межвитковые вставки (автобаферы): в отличие от мячей, они плотно прилегают к соседним виткам и надежно удерживаются даже при вывешивании колеса. Использование автобаферов может быть оправдано для чересчур мягких подвесок или уже «уставших» пружин. При всех своих достоинствах (в первую очередь, отсутствии пробоев при перевозке тяжелых грузов) они имеют и недостатки: увеличивается нагрузка на витки, которые контактируют с автобаферами. Конечно, при разумном подходе к загрузке автомобиля ничего катастрофического не случится, но не все умеют «вовремя остановиться».

Популярные статьи  Заводим мини-трактор или мотоблок при помощи мотокосы!

Есть и другие, более прогрессивные варианты увеличения грузоподъемности подвески. Если задний амортизатор установлен отдельно от пружины, можно использовать пневмоэлементы, предназначенные для установки внутрь пружин.

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Это – бюджетный аналог пневмоподвески: пневмоэлемент (герметичная полая подушка из силовой резины с ниппелем) работает совместно с пружиной, принимая на себя часть нагрузки. характеристики подвески изменяются давлением воздуха. Для комфортного режима давление нужно уменьшить, спустив лишний воздух, а при необходимости перевезти груз – накачать баллон компрессором (что такое компрессор ?) до нужного значения (до 1,5 атм) (что такое “Бар” ?) .

Для рессорных автомобилей разработаны установочные комплекты дополнительной пневматической подвески. Полноценная пневмоподвеска работает совместно с рессорами (или пружинами) и не требует изменений в конструкции автомобиля. Она монтируется на заднюю балку/мост автомобиля и принимает на себя часть нагрузки, увеличивая срок службы рессор/пружин. Пневматический контур подкачки с ресивером или без него позволяет оперативно менять давление в пневмоэлементах (что такое пневмоэлемент ?) , не выходя из кабины. Такие комплекты обладают всеми достоинствами штатных пневмоподвесок (что такое пневмоподвеска ?) : исключают пробои, делают комфортным движение по неровными дорогам, позволяют изменять клиренс (что такое клиренс ?) в пределах 20-70 мм.

Технология холодной навивки с закалкой и отпуском

Первые этапы технологии совпадают с предыдущим процессом. На стадии термообработки начинаются изменения. Она проводится в несколько этапов:

  • Закалка. Заготовку нагревают до заданной температуры, выдерживают от 2 до 3 часов. Далее подвергают скоростному охлаждению, погружая в емкость с минеральным маслом или солевым раствором. В ходе стадии закалки заготовки должны находиться в горизонтальном положении. Это позволит избежать из деформации
  • Отпуск. Заготовку нагревают до 200-300° и выдерживают несколько часов для снятия внутренних напряжений и улучшения упругих свойств.

Далее также проводятся измерительные и контрольные операции. Прошедшие контроль заготовки направляют на пескоструйную обработку для снятия окалины. При необходимости следует сделать также и дробеструйную обработку для повышения прочности поверхностного слоя металла.

Завершает процесс нанесение защитного покрытия.

Витые пружины сжатия

Упругие элементы могут иметь различные пространственные формы. Исторически первыми пружинами освоенными человеком, были листовые.  Их и сегодня можно видеть — это рессоры у большегрузных грузовиков. С развитием технологий люди научились изготавливать более компактные витые пружины, работающие на сжатие. Кроме них, используются и пространственные упругие элементы.

Витые пружины

Особенности конструкции

Такие пружины при работе принимают нагрузку вдоль своей оси. В начальном положении между их витками существуют просветы. Приложенная внешняя сила деформирует пружину, длина ее уменьшается до тех пор, пока витки не соприкоснуться. С этого момента пружина представляет собой абсолютно жесткое тело. По мере уменьшения внешнего усилия форма изделия начинается возвращаться к первоначальной вплоть до полного восстановления при исчезновении нагрузки.

Основными характеристиками, описывающими геометрию детали, считают:

  • Диаметр прутка, из которого навита пружина.
  • Число витков.
  • Навивочный шаг.
  • Внешний диаметр детали.

Внешняя форма может отличаться от цилиндрической и представлять собой одну из фигур вращения: конус, бочку (эллипсоид) и другие

Шаг навивки бывает постоянный и переменный. Направление навивки – по часовой стрелке и против нее.

Устройство пружины

Сечение витков бывает круглым, плоским, квадратным и др.

Концы витков стачиваются до плоской формы.

Область эксплуатации

Шире других используются цилиндрические винтовые пружины постоянного внешнего диаметра и постоянного шага. Они применяются в таких областях, как

  • Машиностроение.
  • Приборостроение.
  • Транспортные средства.
  • Добыча полезных ископаемых промышленность.
  • Бытовая техника .

и в других отраслях.

Применение пружины в быту

Необходимые инструменты и материалы

Для того, чтобы изготовить и закалить пружину из проволоки своими руками необходимо:

  • Стальная проволока. Диаметр подбирается исходя из необходимых характеристик будущего изделия.
  • Обыкновенная газовая горелка.
  • Слесарный инструмент: пассатижи, молоток и т.п.
  • Тиски.
  • Печка. Это может быть, при ее наличии, специальная или же обычная бытовая.

Облегчить процесс навивания спирали способны дополнительные приспособления, которые подбираются индивидуально в соответствии с размерами и жесткостью пружины.

Если использование и закалка предполагается из проволоки диаметром меньше 2 миллиметров, то она может предварительно не нагреваться. Она без проблем будет гнуться и без этой операции. Однако при этом до начала намотки рекомендуется ее разогнуть ее по всей длине и полностью выровнять.

При использовании проволоки диаметром более 2 миллиметров ее следует до начала работы обжечь. Без данной операции выровнять и навить ее будет проблемно.

https://youtube.com/watch?v=-rR4RtbJEMI

От чего зависит жесткость

Жесткость пружины зависит от нескольких параметров:

  • геометрии пружины;
  • типа материала;
  • коэффициента;
  • срока эксплуатации.

Геометрия пружины

На жесткость витой пружины влияет:

  • количество витков;
  • их диаметр;
  • диаметр проволоки.

Диаметр намотки измеряется от оси пружины. Так как длина проволоки в пружине значительно больше длины упругого стержня, сопротивляемость внешней деформации многократно возрастает.

Волновые пружины состоят из металлических лент, навитых ребром по окружности заданного диаметра.

Их основные геометрические параметры:

  • количество витков;
  • количество волн на виток;
  • сечение ленты.

Тип материала

У каждого материала есть условный предел упругости, характеризующий его способность восстанавливаться после деформации. Если этот предел превышается, в структуре материала возникают необратимые изменения.

Предел упругости — механическая характеристика материала, показывающая максимальное напряжение, при котором имеют место только упругие, обратимые деформации.

Предел упругости измеряют в паскалях и определяют по формуле:

где F — действие внешней силы на исследуемый образец, приводящее к повреждениям, а S — его площадь.

Кроме предела упругости, существуют такие характеристики упругости материалов, как модули упругости (модуль Юнга) и сдвига, коэффициент жесткости и другие. Все они взаимосвязаны, поэтому, выяснив значение одной из величин с помощью справочной таблицы, можно вычислить другие.

Популярные статьи  Как ухаживать за орхидеями разных сортов

Коэффициент

Согласно закону Гука, при малой деформации абсолютная величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации.

Эта линейная зависимость описывается формулой:

где k — коэффициент жесткости, а х — величина, на которую сжалась или растянулась пружина.

Деформация считается малой в том случае, когда изменение размеров тела значительно меньше его первоначальных размеров.

Срок эксплуатации

Нахождение под напряжением приводит к постепенной необратимой деформации, называемой ослаблением пружины.

Жесткость пружины влияет на срок ее эксплуатации, как и сила воздействия. Конструкторы пружин, предварительно рассчитав эти параметры, проводят тесты на прототипах, прежде чем начать массовое производство. В специальных установках для испытания на усталость материала их сжимают и отпускают определенное количество циклов, отдельно проверяя поведение пружин при максимальной и минимальной нагрузке.

Что потребуется

Чтобы сделать пружину своими руками, подготовьте следующие расходные материалы и оборудование:

  • стальную проволоку, диаметр которой должен соответствовать размеру поперечного сечения витков вашего будущего пружинного изделия;
  • обычную газовую горелку;
  • инструмент, который обязательно есть в каждой слесарной мастерской;
  • слесарные тиски;
  • печь, в качестве которой может быть использовано и нагревательное устройство бытового назначения.

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Навивать спираль легче с помощью приспособлений, конструкция которых зависит от размеров и жесткости пружины

Проволоку, если ее диаметр не превышает 2 мм, можно не подвергать предварительной термической обработке, так как ее легко согнуть и без этого. Перед тем как наматывать такую проволоку на оправку требуемого диаметра, ее необходимо разогнуть и тщательно выровнять по всей длине намотки.

Выбирая диаметр оправки, следует учитывать размеры пружины, которую вы собираетесь сделать в домашних условиях. Чтобы компенсировать упругую деформацию проволоки, диаметр оправки выбирают несколько меньше, чем требуемый размер внутреннего поперечного сечения будущего изделия.

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Приспособление для навивки спиральной пружины

В том случае, если диаметр проволоки, из которой вы своими руками собираетесь сделать пружину, больше 2 мм, ее необходимо предварительно отжечь, так как без такой процедуры выравнивать ее и навивать на оправку будет затруднительно.

Расчет жесткости системы

Встречаются более сложные задачи, в которых необходим расчет общей жесткости. В таких заданиях пружины соединены последовательно или параллельно.

Последовательное соединение системы пружин

При последовательном соединении общая жесткость системы уменьшается. Формула для расчета коэффициента упругости будет иметь следующий вид:

1/k = 1/k1 + 1/k2 + … + 1/ki,

где k — общая жесткость системы, k1, k2, …, ki — отдельные жесткости каждого элемента, i — общее количество всех пружин, задействованных в системе.

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Параллельное соединение системы пружин

В случае когда пружины соединены параллельно, величина общего коэффициента упругости системы будет увеличиваться. Формула для расчета будет выглядеть так:

k = k1 + k2 + … + ki.

Измерение жесткости пружины опытным путем — в этом видео.

https://youtube.com/watch?v=YjfWehCZnf8

Сила упругости и закон Гука

Для начала определим основные термины, которые будут использоваться в данной статье. Известно, если воздействовать на тело извне, оно либо приобретет ускорение, либо деформируется. Деформация — это изменение размеров или формы тела под влиянием внешних сил. Если объект полностью восстанавливается после прекращения нагрузки, то такая деформация считается упругой; если же тело остается в измененном состоянии (например, согнутом, растянутом, сжатым и т. д. ), то деформация пластическая.

Примерами пластических деформаций являются:

  • лепка из глины;
  • погнутая алюминиевая ложка.

В свою очередь, упругими деформациями будут считаться:

  • резинка (можно растянуть ее, после чего она вернется в исходное состояние);
  • пружина (после сжатия снова распрямляется).

В результате упругой деформации тела (в частности, пружины) в нем возникает сила упругости, равная по модулю приложенной силе, но направленная в противоположную сторону. Сила упругости для пружины будет пропорциональна ее удлинению. Математически это можно записать таким образом:

где F — сила упругости, x — расстояние, на которое изменилась длина тела в результате растяжения, k — необходимый для нас коэффициент жесткости. Указанная выше формула также является частным случаем закона Гука для тонкого растяжимого стержня. В общей форме этот закон формулируется так: «Деформация, возникшая в упругом теле, будет пропорциональна силе, которая приложена к данному телу». Он справедлив только в тех случаях, когда речь идет о малых деформациях (растяжение или сжатие намного меньше длины исходного тела).

Настройка жёсткости пружин химическим способом

Как рассчитать жесткость пружины

Для расчета коэффициента жесткости применяется формула:

k = G * (Dw)^4 / 8 * Na * (Dm)^3,

где G – модуль сдвига. Данную величину можно не рассчитывать, так как она приведена в таблицах к различным материалам. Например, для обыкновенной стали она равна 80 ГПа, для пружинной – 78,5 ГПа. Из формулы понятно, что наибольшее влияние на коэффициент жесткости пружины оказывают оставшиеся три величины: диаметр и число витков, а также диаметр самой пружины. Для достижения необходимых показателей жесткости изменению подлежат именно эти характеристики.

Читать также: Как соединить два разных провода

Вычислить коэффициент жесткости экспериментальным путем можно при помощи простейших инструментов: самой пружины, линейки и груза, который будет воздействовать на опытный образец.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий