圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算

poxiaozhisheng

(一)几何参数计算 　　普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D、中径D2、内径D1、节距p、螺旋升角α及弹 簧丝直径d。由下图圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数图可知，它们的关系为：  
　　式中弹簧的螺旋升角α，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在5°～9°范围内选取。弹簧的旋向可以是右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。??????????????????
?  

圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数

??普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸计算公式见表([color=#0000ff普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式)。

[ 本帖最后由 flyda 于 2006-8-27 01:37 PM 编辑 ]
  
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•        flyda (2006-8-27 13:37:49)
普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式
参数名称及代号
        计算公式
        备注

        压缩弹簧
        拉伸弹簧
       
中 径D2
        D2=Cd
        按普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列表取标准值

内 径D1
        D1=D2-d
       
外 径D
        D=D2+d
       
旋绕比C
        C=D2/d
       
压缩弹簧长细比b
        b=H0/D2
                b在1～5.3的范围内选取

自由高度或长度H0
        H0≈pn+(1.5～2)d

（两端并紧，磨平）

H0≈pn+(3～3.5)d

（两端并紧，不磨平）
        H0=nd+钩环轴向长度
       
工作高度或长度

H1,H2,…,Hn
        Hn=H0-λn
        Hn=H0+λn
        λn--工作变形量

有效圈数n
        根据要求变形量按式（16-11）计算
        n≥2

总圈数n1
        n1=n+(2～2.5)（冷卷）

n1=n+(1.5～2) （YII型热卷）
        n1=n
        拉伸弹簧n1尾数为1/4,1/2,3/4整圈。推荐用1/2圈

节 距p
        p=(0.28～0.5)D2
        p=d
       
轴向间距δ
        δ=p-d
               
展开长度L
        L=πD2n1/cosα
        L≈πD2n+钩环展开长度
       
螺旋角α
        α=arctg(p/πD2)
        对压缩螺旋弹簧，推荐 α=5°～9°

质 量ms
        ms=
        γ为材料的密度，对各种钢，γ=7700kg/ ；对铍青
•        (二)特性曲线
　　弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生永久变形。因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。在这个范围内工作的压缩弹 簧，当承受轴向载荷P时，弹簧将产生相应的弹性变 形，如右图a所示。为了表示弹簧的载荷与变形的关系，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系(右图b)。 这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。对拉伸弹簧，如图<圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线> 所示，图b为无预应力的拉伸弹簧的特性曲线；图c为有预应力的拉伸弹簧的特性曲线。
　　右图a中的H0是压缩弹簧在没有承受外力时的自由长度。弹簧在安装时，通常预加一个压力 Fmin，使它可靠地稳定在安装位置上。Fmin称为弹簧的最小载荷(安装载荷)。在它的作用下，弹簧的长度 被压缩到H1其压缩变形量为λmin。Fmax为弹簧承受的最大工作载荷。在Fmax作用下，弹簧长度减到H2， 其压缩变形量增到λmax。λmax与λmin的差即为弹簧的 工作行程h,h=λmax-λmin。 Flim为弹簧的极限载荷。在该力的作用下，弹簧丝内的应力达到了材料的弹性极限。与Flim对应的弹簧长度为H3，压缩变形量为λlim。         
圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线

　　等节距的圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线为一直线，亦即????????????????
　　压缩弹簧的最小工作载荷通常取为 Fmin=(0.1～0.5)Fmax；但对有预应力的拉伸弹簧(图<圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线>)， Fmin>F0，F0为使只有预应力的拉伸弹簧开始变形时所需的初拉力。弹簧的最大工作载荷Fmax，由弹簧在机构中的工作条件决定。但不应到达它的极限载荷，通常应保持Fmax≤0.8Flim。
　　弹簧的特性曲线应绘在弹簧工作图中，作为检验和试验时的依据之一。此外，在设计弹簧时，利用特性曲线分析受载与变形的关系也较方便。         

圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线

&#8226;        flyda (2006-8-27 13:39:16)
<B>(三) 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载时的应力及变形
?　圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。
??由图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析a>(图中弹簧下部断去，末示出)可知，由于弹簧丝具有升角α，故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩 。因而在弹簧 丝的法向截面B-B上则作用有横向力Fcosα、轴向力Fsinα、弯矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα。 由于弹簧的螺旋升角一般取为α=5°～9°，故sinα≈0；cosα≈1(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析b>)，则截面B-B上的应力(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c>)可近似地取为
　　　　 ?????
??式中C=D2/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。C值的范围为4～16(表<常用旋绕比C值>), 常用值为5～8。


圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析

常用旋绕比C值

d(mm)
        0.2～0.4
        0.45～1
        ?1.1～2.2?
        2.5～6
        7～16
        18～42

C=D2/d
        ?7～14?
        5～12
        5～10
        ?4～9?
        4～8
        4～6



??为了简化计算，通常在上式中取1+2C≈2C(因为当C=4～16时，2C>>l，实质上即为略去了 τp)，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>c中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为
??? 　　　　　　　? ?????????
??式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算： ????????????
??圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量λ可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:　　　　　 ??????
??式中：n—弹簧的有效圈数；
　　　　　G—弹簧材料的切变模量，见前一节表<弹簧常用材料及其许用应力>。如以Pmax代替P则
　　　　　　 最大轴向变形量为：
????1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧： 　 ???????
????2）对于有预应力的拉伸弹簧： ? ????????
　　拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。
??用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力τ0'值在下图的阴影区内选取。
　　初拉力按下式计算：
　　　 ????? 　　使弹簧产生单位变形所需的载荷kp称为弹簧刚度，即
　　 ?


弹簧初应力的选择范围

　　弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大，需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值对kp的影响很大。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
</B>
&#8226;        （四) 承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计

　?弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或虽有变化但变化平稳，且总的重复次数不超过 次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些情况下，弹簧是按静载强度来设计的。
??在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。
??具体设计方法和步骤如下:
?1) 根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其机械性能数据。
?2) 选择旋绕比C，通常可取C≈5～8(极限状态时不小于4或超过16)，并算出补偿系数 K值。
?3) 根据安装空间初设弹簧中径D2，乃根据C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力。
?4) 试算弹簧丝直径d ' ??　? ??????
??必须注意，钢丝的许用应力决定于其σB，而σB是随着钢丝的直径变化的,又因[τ]是按估取的d值查得σB的H计算得来的，所以此时试算所得的d '值，必须与原来估取的d值相比较，如果两者相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径d，并按D2=Cd 以求出 ；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估d值，再查其而计算[τ]，代入上式进行试算，直至满意后才能计算D2.计算出的D2，值也要按表<普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列>进行圆整。
　5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数：
?对于有预应力的拉伸弹簧????????  
?对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧???  
　6) 求出弹簧的尺寸D、D1、H0,并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应改选有关参数(例如C值)重新设计。
　7) 验算稳定性。对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性(如下图a)，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比b=H0/D2按下列情况选取：
?当两端固定时，取b<5.3；
?当一端固定，另一端自由转动时，取b<3.7；
?当两端自由转动时，取b<2.6。

压缩弹簧失稳及对策
?当b大于上述数值时，要进行稳定性验算，并应满足 ????　　　　?Fc=CukpH0>Fmax??????

?式中：Fc——稳定时的临界载荷；
　　?　Cu——不稳定系数，从下图<不稳定系数线图>中查得；
　　?　Fmax——弹簧的最大工作载荷。
??如 Fmax>Fc时，要重新选取参数，改变b值，提高Fc值，使其大于Fmax值，以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能改变参数时，则应加装导杆(如上图b)或导套(如上图c)。导杆(导套)与弹簧间的间隙c值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选取。

不稳定系数线图
导杆（导套）与弹簧间的间隙
中径D2/(mm)
        ≤5
        >5～10
        >10～18
        >18～30
        >30～50
        >50～80
        >80～120
        >120～150

间隙c/(mm)
        0.6
        1
        2
        3
        4
        5
        6
        7




　8) 进行弹簧的结构设计。如对拉伸弹簧确定其钩环类型等，并按表<普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式>计算出全部有关尺寸。 　9) 绘制弹簧工作图。

[ 本帖最后由 flyda 于 2006-8-27 01:41 PM 编辑 ]
&#8226;        flyda (2006-8-27 13:40:22)
例题 设计一普通圆柱螺旋拉伸弹簧。已知该弹簧在-定载荷条件下工作，并要求中径D2≈18mm，外径D≤22mm。当弹簧拉伸变形量λ1=7.5mm时，拉力P1=180N，拉伸变形量λ2=17mm时，拉力P2=340N。

[解]
1．根据工作条件选择材料并确定其许用应力
　　因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第Ⅲ类弹簧考虑。现选用Ⅲ组碳素弹簧钢丝。并根据 D-D2≤22-18 mm=4 mm，估取弹簧钢丝直径为3.0mm。由表<弹簧钢丝的拉伸强度极限>暂选σB=1275MPa，则根据表16-2可知[τ]＝0.5σB＝0.5×1275 MPa＝637.5 MPa。
2．根据强度条件计算弹簧钢丝直径
　　现选取旋绕比C=6，则得
　　　　　　　  
　　于是有 　　　　　　　  

　　改取d＝3.2mm。查得σB=1177MPa，[τ]＝0.5σB＝588.5MPa,取D2=18,C=18/3.2=5.625,计算得 K=1.253，于是 　　　　　　　  

　　上值与原估取值相近,取弹簧钢丝标准直径d＝3.2mm(与计算值3.22mm仅差0.6％,可用)。此时D2＝18mm,为标准值,则 　　　　　　　D=D2+d=18+3.2 mm ＝21.2 mm<22 mm

　　所得尺寸与题中的限制条件相符，合适。
3．根据刚度条件，计算弹簧圈数n.
　　弹簧刚度为 　　　　　　  

　　由表<弹簧常用材料及其许用应力>取G=79000MPa,弹簧圈数n为 　　　　　　  

　　取n＝11圈； 此时弹簧刚度为 　　　　　kp=10.56×16.8/11 N/mm =16.12 N/mm

4．验算
　　1） 弹簧初拉力 　　　　　P0=P1-kPλ1=180-16.12×7.5 N=59.1 N

　　　　初应力τ0'，得 　　　　　　  

　　　　当C＝5.62时，可查得初应力τ0'的推茬值为65～150MPa，故此初应力值合适。
　　2）极限工作应力τlim取τlim=1.12[τ]，则 　　　　　τlim=1.12×588.5 MPa=659.1 MPa

　　3）极限工作载荷 　　　　　　

5.进行结构设计
　　选定两端钩环，并计算出全部尺寸(从略)。 6．绘制工作图(从略)。
&#8226;        (五) 承受变载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计
　 对于承受变载荷的弹簧，除应按最大载荷及变形仿前进行设计外，还应视具体情况进行如下 的强度验算及振动验算:
1．强度验算
　　承受变载荷的弹簧一般应进行疲劳强度的验算，但如果变载荷的作用次数N≤ ，或载荷变化的幅度不大时，通常只进行静强度验算。如果上述这两种情况不能明确区别时,则需同时进行两种强度的验算。
　　1）疲劳强度验算
　　下图所示为弹簧在变载荷作用下的应力变化状态。图中H0为弹 簧的自由长度，P1和λ1为安装载荷和预压变形量，P2和λ2为工作时的最大载荷和最大变形量。当弹簧所受载荷在P1和P2之间不断循环变化时，则可得弹簧材料内部所产生的最大和最小循环切应力为:
　　　　　　 　MPa 　　 　MPa


弹簧在变载荷作用下的应力变化状态

　　对应于上述变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，应力循环次数N> 时，疲劳强度安全系数计算值Sca及强度条件可按下式计算：
　　　　　　　 ???
　　式中：τ0——弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数N，由下表(弹簧材料的脉
　　　　　　　　 动循环剪切疲劳极限表)中查取；
　　　　　SF——弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的机械性能数据精确
　　　　　　　　　性高时，取SF=1.3～1.7；当精确性低时，取SF=1.8～2.2。
弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限

变载荷作用次数N
         
         
         
         

τ0
        0.45σB
        0.35σB
        0.33σB
        0.3σB



　　　　　注：1）此表适用于高优质钢丝，不锈钢丝，铍青铜和硅青铜丝；
　　　　　　　2）对喷丸处理的弹簧，表中数值可提高20％；
　　　　　　　3）对于硅青铜，不锈钢丝，N＝ 时的τ0值可取0.35σB；
　　　　　　　4）表中σB为弹簧材料的拉伸强度极限，MPa。
　　2) 静强度验算
　　静强度安全系数计算值SSca的计算公式及强度条件为  
　　式中τS为弹簧材料的剪切屈服极限,静强度的安全系数SS的选取与进行疲劳强度验算时相同。
2．振动验算
　　承受变载荷的圆柱螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作(如内燃机汽缸阀门弹簧)。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏，需对弹簧进行振动验算，以保证其临界工作频率(即工作频率的许用值)远低于其基本自振频率。
　　圆柱螺旋弹簧的基本自振频率(本书已将原书公式中的弹簧质量W/s以mS代替)为
　　　　　　　 　Hz
　　式中：kp--弹簧的刚度，N/mm；
　　　　mS--弹簧的质量，kg。
　　将kp,ms的关系式代入上式，并取n≈n1则
　　　　　　　 　Hz
　　式中各符号意义同前，见表<普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式>。
　　弹簧的基本自振频率fb应不低于其工作频率fw的15～20倍，以避免引起严重的振动。即
　　　　　　fb≥(15～20)fw 或 fw≤fb/(15～20) Hz
　　但弹簧的工作频率一般是预先给定的，故当弹簧的基本自振频率不能满足上式时，应增大kp或减小ms，重新进行设计。

shuizhonghua

关于圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算，其几何参数是设计基础。弹簧的外径D、中径D2、内径D1、节距p、螺旋升角α及弹簧丝直径d等尺寸，共同决定了弹簧的性能。其中，螺旋升角α是弹簧设计的重要参数，通常应在5°-9°之间选择，对压缩弹簧一般选用右旋。关于普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸，已有具体的计算公式，这些公式是设计过程中必须遵循的准则，以确保弹簧的性能和安全性。在实际设计过程中，还需考虑材料、工作环境、载荷条件等因素。