Federrate der Schraubenfeder
Ermitteln Sie, wie steif eine Druckfeder ist: 0,002 m Draht auf 0,016 m mittlerem Durchmesser mit 8 federnden Windungen ergibt in Stahl mit achtzig Gigapascal 4882,8125 N/m. Das Wickelverhältnis kommt als erste Plausibilitätsprüfung dazu. Kostenlos in Ihrem Browser.
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Rechenbeispiel
- Drahtdurchmesser
- 0,002
- Mittlerer Windungsdurchmesser
- 0,016
- Aktive Windungen
- 8
- Schubmodul
- 80.000.000.000
- Federindex
- 8 N/m
- Federrate
- 4.882,8125
Eine Schraubendruckfeder speichert Energie, indem sich der Draht tordiert, während sich die Windungen unter Axiallast schließen. Konstrukteure, Instandhaltungsingenieure und Studierende der Maschinenelemente brauchen deshalb die axiale Federrate — Kraft je Längeneinheit der Einfederung — aus den vier Größen, die auf der Zeichnung stehen: Drahtdurchmesser d, mittlerer Windungsdurchmesser D, Zahl der federnden Windungen Na und Schubmodul G der Drahtlegierung. Dieser Rechner wendet die klassische Formel für enggewickelte Windungen k = G d⁴ / (8 D³ Na) an, dieselbe Identität aus Shigley, Wahl und den Federhandbüchern, wenn Torsion überwiegt und die Steigung mäßig bleibt.
Was die Schraubenfeder-Rate bedeutet und warum k = G d⁴ / (8 D³ Na)
Die axiale Federrate k ist die Kraft, die nötig ist, um eine Schraubenfeder um eine Längeneinheit zusammenzudrücken. Bei einer runddrahtigen, enggewickelten Druckfeder ist die dominante gespeicherte Energie die Torsion im Draht, nicht der kleine Biegeanteil aus der Steigung. Der Satz von Castigliano, angewandt auf eine Windung mit mittlerem Radius D/2, polarem Flächenträgheitsmoment π d⁴ / 32 und Länge π D Na, fällt auf die Lehrbuchidentität zusammen: k gleich G mal d hoch vier, geteilt durch acht mal D hoch drei mal die Zahl der federnden Windungen.
Der Drahtdurchmesser steht im Zähler in der vierten Potenz, deshalb verschiebt eine Änderung von zehn Prozent in d die Rate um etwa sechsundvierzig Prozent — deshalb listen Lagerlisten die Rate zuerst gegen die Drahtstärke. Der mittlere Windungsdurchmesser steht im Nenner in der dritten Potenz, sodass eine größere Hülle bei gleichem Draht deutlich weicher wird. Federnde Windungen skalieren die Rate umgekehrt: mehr arbeitende Gänge teilen die Verdrehung und die Feder wird weicher.
Der Schubmodul G ist eine Werkstoffeigenschaft, kein Geometriehebel: Klaviersaitendraht und kaltgezogener Stahl liegen nahe neunundsiebzig Gigapascal, ölschlussvergüteter nahe siebenundsiebzig, austenitischer nichtrostender nahe neunundsechzig, Phosphorbronze nahe einundvierzig. Der Federindex C = D/d wird zurückgegeben, weil er die erste Plausibilitätsprüfung eines Konstrukteurs ist: zwischen etwa vier und zwölf wickelt sich sauber; unter vier verschwindet der Innendurchmesser und die Eigenspannung steigt steil; über zwölf wird die Windung schlaff und knickanfällig. Dieser Rechner wendet den Wahl-Faktor K_w nicht an.
Wahl multipliziert die Schubspannung wegen Krümmung und direktem Schub; er gehört nicht in die Ratenformel, und beides zu vermengen ist eine häufige Klausurfalle. Inaktive Endwindungen, Blocklänge und Knickschlankheit liegen ebenfalls außerhalb: übergeben Sie diesem Endpunkt nur die vier Ratenargumente und kombinieren Sie k danach mit Ihrer eigenen Last oder Ihrem eigenen Federweg im Hookeschen Gesetz, wenn Sie Kraft oder Hub brauchen.
Anwendungsfälle
Werkstoff- und Hüllenvergleiche
Tauschen Sie Schubmodul oder mittleren Windungsdurchmesser bei festen übrigen drei Argumenten, um Klaviersaitendraht gegen nichtrostenden Stahl oder eine engere gegen eine weitere Hülle zu vergleichen.
Häufige Fragen
Welche Einheiten soll ich für d, D und G verwenden?
Jedes kohärente Längen-Spannungs-Paar: Meter und Pascal ergeben N/m; Millimeter und N/mm² (MPa) ergeben N/mm. Die Antwort kennzeichnet unit als N/m nach SI-Konvention.
Enthält dieser Rechner den Wahl-Faktor?
Nein. Der Wahl-Faktor K_w korrigiert die Schubspannung wegen Krümmung und direktem Schub. Die Federrate nutzt die Torsionsenergie-Identität k = G d⁴ / (8 D³ Na) ohne K_w.
Wie berechnet man die Federrate einer Druckfeder?
Multiplizieren Sie den Schubmodul mit dem Drahtdurchmesser hoch vier und teilen Sie durch acht mal den mittleren Windungsdurchmesser hoch drei mal die Zahl der federnden Windungen. Die Beispielfeder ergibt 4882,8125 N/m.
Warum wirkt sich eine kleine Änderung des Drahtdurchmessers so stark aus?
Weil der Drahtdurchmesser in der vierten Potenz eingeht. Ein etwa zehn Prozent dickerer Draht erhöht die Federrate um rund sechsundvierzig Prozent; deshalb ordnen Federkataloge zuerst nach Drahtstärke.
Welches Wickelverhältnis ist sinnvoll?
Das Wickelverhältnis ist der mittlere Windungsdurchmesser geteilt durch den Drahtdurchmesser. Zwischen etwa vier und zwölf lässt sich sauber wickeln; darunter steigen die Spannungen stark, darüber wird die Feder labil und kann knicken. Das Beispiel hat 8.
Verwandte Tools
Für Entwickler — API-Zugang
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Endpunkt
Authentifizierung per Bearer-Token. Ein einziger POST stellt die Aufgabe in die Warteschlange; das Ergebnis erhalten Sie per Webhook oder über einen signierten Link.
Aufruf aus Ihrem Stack
curl -X POST https://api.kit.forhosting.com/eng/spring-rate-helical \
-H "Authorization: Bearer $KIT_KEY" \
-H "Content-Type: application/json" \
-d '{"wire_diameter":0.002,"mean_coil_diameter":0.016,"active_coils":8,"shear_modulus":80000000000}'const res = await fetch("https://api.kit.forhosting.com/eng/spring-rate-helical", {
method: "POST",
headers: {
"Authorization": `Bearer ${process.env.KIT_KEY}`,
"Content-Type": "application/json"
},
body: JSON.stringify({
"wire_diameter": 0.002,
"mean_coil_diameter": 0.016,
"active_coils": 8,
"shear_modulus": 80000000000
})
});
const { task_id } = await res.json();import os, requests
res = requests.post(
"https://api.kit.forhosting.com/eng/spring-rate-helical",
headers={"Authorization": f"Bearer {os.environ['KIT_KEY']}"},
json={
"wire_diameter": 0.002,
"mean_coil_diameter": 0.016,
"active_coils": 8,
"shear_modulus": 80000000000
},
)
task_id = res.json()["task_id"]<?php
$res = file_get_contents("https://api.kit.forhosting.com/eng/spring-rate-helical", false, stream_context_create([
"http" => [
"method" => "POST",
"header" => "Authorization: Bearer " . getenv("KIT_KEY") . "\r\nContent-Type: application/json",
"content" => '{"wire_diameter":0.002,"mean_coil_diameter":0.016,"active_coils":8,"shear_modulus":80000000000}',
],
]));
$task = json_decode($res, true);body := bytes.NewBufferString(`{"wire_diameter":0.002,"mean_coil_diameter":0.016,"active_coils":8,"shear_modulus":80000000000}`)
req, _ := http.NewRequest("POST", "https://api.kit.forhosting.com/eng/spring-rate-helical", body)
req.Header.Set("Authorization", "Bearer "+os.Getenv("KIT_KEY"))
req.Header.Set("Content-Type", "application/json")
res, _ := http.DefaultClient.Do(req)Beispiel-Anfrage
{
"wire_diameter": 0.002,
"mean_coil_diameter": 0.016,
"active_coils": 8,
"shear_modulus": 80000000000
}Beispiel-Antwort
{
"task_id": "tsk_a1b2c3d4e5f6a1b2c3d4e5f6",
"type": "eng.spring_rate_helical",
"status": "queued",
"_links": {
"result": "/tasks/tsk_…/result"
}
}Die API arbeitet asynchron: Sie erhalten sofort eine task_id. Polling ist mit 1 Anfrage pro Sekunde erlaubt.
Preis
Der Preis steht auf der Seite – keine Tokens, keine Credits. Fehlgeschlagene Aufgaben werden nicht berechnet.
Fehler
| HTTP | Code | Bedeutung |
|---|---|---|
401 | unauthorized | Der API-Schlüssel fehlt oder ist ungültig – prüfen Sie den Authorization-Header (Bearer). |
402 | insufficient_balance | Ihr Guthaben reicht für diese Aufgabe nicht aus – Aufladungen verfallen nicht. |
404 | unknown_type | Unbekannter Aufgabentyp – prüfen Sie das Feld „type“ gegen den Katalog. |
429 | rate_limited | Zu viele Anfragen – warten Sie kurz; Polling ist mit 1 Anfrage pro Sekunde erlaubt. |
Technische Hinweise
Ungültige Geometrie — fehlende Felder, nicht positive Maße oder eine mittlere Windung nicht größer als der Draht — scheitert mit invalid_input und wird nicht berechnet.
Eingabevertrag, kohärente Einheiten, Antwortform und Fehlerverhalten
Längen- und Spannungseinheiten müssen kohärent sein. Zahlen werden auf zwölf Dezimalstellen gerundet, damit Goldens stabil bleiben. Beispiel: Draht von zwei Millimetern als 0.002 m, mittlere Windung von sechzehn Millimetern als 0.016 m, acht federnde Windungen und G von achtzig Gigapascal ergeben Index acht und Rate 4882.8125 N/m, weil achtzig Milliarden mal (0.002)⁴ geteilt durch acht mal (0.016)³ mal acht exakt ist. Kombinieren Sie die Rate mit Ihrer eigenen Last, wenn Sie den Federweg brauchen; diese Fähigkeit löst nur die statische Rate. Senden Sie per POST einen JSON-Körper mit vier erforderlichen endlichen Zahlen: wire_diameter (Aliase d, wire_d, wire, diameter_wire), den streng positiven Drahtdurchmesser; mean_coil_diameter (Aliase D, mean_d, coil_diameter, mean_diameter), den streng positiven mittleren Windungsdurchmesser, der den Draht übersteigen muss, damit der Innendurchmesser D minus d positiv bleibt; active_coils (Aliase n, Na, N, n_active, coils), die streng positive Zahl der Windungen, die wirklich einfedern — Bruchwerte wie 7.5 sind zulässig —; und shear_modulus (Aliase G, modulus, rigidity, shear_g), den streng positiven Schubmodul des Drahts. Meter und Pascal liefern spring_rate in Newton pro Meter, die SI-Kennzeichnung der Antwort; Millimeter mit Newton pro Quadratmillimeter (Megapascal) liefern Newton pro Millimeter, wenn Sie konsistent bleiben. Felder dürfen als JSON-Zahlen oder numerische Zeichenketten eintreffen. Fehlende Felder, nicht endliche Werte, nicht positive Maße, eine mittlere Windung nicht größer als der Draht oder Beträge über einer Billion scheitern mit invalid_input unter Nennung des Feldes; diese Fehlschläge werden nicht berechnet. Bei Erfolg gibt der Körper die vier gerundeten Eingaben zurück, meldet spring_index als D geteilt durch d, liefert spring_rate als G d⁴ / (8 D³ Na), setzt unit auf N/m als SI-Standardkennzeichen und enthält die Formel k = G d^4 / (8 D^3 Na), method helical_compression_spring_rate sowie eine kurze lesbare Meldung.
Wo eine API für die Schraubenfeder-Rate ihren Platz verdient
Kurse der Maschinenkonstruktion und Prüfungen der Federhersteller verlangen regelmäßig die Rate enggewickelter Windungen aus einem Zeichnungsfeld mit d, D, Na und einem tabellierten G; ein deterministisches Orakel kennzeichnet eine mittlere Windung kleiner als der Draht als ungültig, statt eine physikalisch unmögliche positive Steifigkeit zu liefern. Inhaltssites, die auf Schraubendruckfeder-Federrate, Druckfederkonstante aus dem Drahtdurchmesser oder k = G d⁴ / (8 D³ N) rangieren, gewinnen ein lebendiges kostenloses Werkzeug, dessen Arithmetik byteweise mit dem bezahlten Automatisierungspfad übereinstimmt. Ungültige Eingaben werden nicht berechnet. Produktingenieure, die Klaviersaitendraht und nichtrostenden Stahl vergleichen, können nur shear_modulus tauschen und den Ratenabfall sehen, ohne eine Tabelle neu aufzubauen, die still die falsche Potenz von D genutzt hat. Instandhaltungsskripte, die Draht und Windung mit der Schieblehre und einer Zählung der Arbeitsgänge lesen, können spring_rate in der kontinuierlichen Integration gegen dasselbe reine Modul festnageln, das Studierende im Browser nutzen. Laborbänke, die Druckfedern in Steifigkeitsversuchen instrumentieren, können das gerundete Feld spring_rate in Tests sperren, statt von einem Belastungsrahmen abzuhängen, der auch Endwindungsreibung enthält. Weil die Umsetzung reines Parse der Stufe A ist, kostet jeder erfolgreiche Aufruf den veröffentlichten Grundpreis $0.002 ohne Modell-Token und ohne ausgehendes Netz. Halten Sie Anfragen klein, pinnen Sie spring_rate und spring_index in Tests, und Sie erhalten reproduzierbare Schraubenfederraten für LMS-Plugins, Rand-Worker und Auslegungshefte, ohne ein Finite-Elemente-Modell der Windung aufzustellen.
Integrationsbeispiele
Hausaufgaben und Klausuren der Maschinenkonstruktion
Berechnen Sie k = G d⁴ / (8 D³ Na) aus dem Zeichnungsfeld mit Draht, mittlerer Windung, federnden Gängen und tabelliertem G; lehnen Sie D ≤ d ab, damit Korrektoren ein klares invalid_input erhalten.
Labor- und Automatisierungsskripte
Nageln Sie spring_rate und spring_index aus Messschieberdraht, gemessener mittlerer Windung, gezählten federnden Gängen und Handbuch-G in CI fest, mit demselben reinen Modul wie das kostenlose Browser-Widget.
Technische Fragen
Wie berechnet man die Federrate einer Schraubendruckfeder?
Senden Sie positives wire_diameter d, mean_coil_diameter D mit D > d, active_coils Na und shear_modulus G. Die API liefert k = G d⁴ / (8 D³ Na) als spring_rate in kohärenten Einheiten (N/m im SI).
Warum muss der mittlere Windungsdurchmesser größer als der Drahtdurchmesser sein?
Der Innendurchmesser ist D − d. Ist D nicht größer als d, hat die Windung kein Loch und die Geometrie ist keine Schraubenfeder; dieser Fall ist invalid_input.
Was kostet der Schraubendruckfeder-Federratenrechner?
Das Browser-Werkzeug ist kostenlos. API-Anfragen nutzen das vorausbezahlte KIT-Guthaben zu $0.002 pro erfolgreichem Aufruf; ungültige Eingaben werden nicht berechnet.