拉簧、 壓簧的設計方法

　　彈簧設計的任務是要確定彈簧絲直徑d、工作圈數n以及其它幾何尺寸，使得能滿足強度約束、剛度約束及穩定性約束條件，進一步地還要求相應的設計指標(如體積、重量、振動穩定性等)達到最好。
　　具體設計步驟為：先根據工作條件、要求等，試選彈簧材料、彈簧指數C。由于sb與d有關，所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d。接下來計算d、n的值及相應的其它幾何尺寸，如果所得結果與設計條件不符合，以上過程要重復進行。直到求得滿足所有約束條件的解即為本問題的一個可行方案。實際問題中，可行方案是不唯一的，往往需要從多個可行方案中求得較優解。
　　例12-1設計一圓柱形螺旋壓縮彈簧，簧絲剖面為圓形。已知最小載荷Fmin=200N，最大載荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，彈簧Ⅱ類工作，要求彈簧外徑不超過28mm，端部并緊磨平。
　　解：
　　試算(一)：
　　(1)選擇彈簧材料和許用應力。選用C級碳素彈簧鋼絲。
　　根據外徑要求，初選C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。
　　(2)計算彈簧絲直徑d
　　由式得K=1.21
　　由式得d≥4.1mm
　　由此可知，d=3.5mm的初算值不滿足強度約束條件，應重新計算。
　　試算(二)：
　　(1)選擇彈簧材料同上。為取得較大的I>d值，選C=5.3。
　　仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。
　　查表1得sb=1520MPa，由表2知[t]=0.41sb=623MPa。
　　(2)計算彈簧絲直徑d
　　由式得K=1.29
　　由式得d≥3.7mm。
　　可知：I>d=4.4mm滿足強度約束條件。
　　(3)計算有效工作圈數n
　　由圖1確定變形量λmax：λmax=16.7mm。
　　查表2，G=79000N/mm2，
　　由式得n=9.75
　　取n=10，考慮兩端各并緊一圈，則總圈數n1=n+2=12。至此，得到了一個滿足強度與剛度約束條件的可行方案，但考慮進一步減少彈簧外形尺寸與重量，再次進行試算。
　　試算(三)：
　　(1)仍選以上彈簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得sb=1520MPa，[t]=0.41sb=623MPa。
　　(2)計算彈簧絲直徑。得d≥3.91mm。知d=4mm滿足強度條件。
　　(3)計算有效工作圈數n。由試算(二)知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2
　　由式得n=6.11
　　取n=6.5圈，仍參考兩端各并緊一圈，n1=n+2=8.5。
　　這一計算結果即滿足強度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來看，又是一個較優的解，可將這個解初步確定下來，以下再計算其它尺寸并作穩定性校核。
　　(4)確定變形量λmax、λmin、λlim和實際最小載荷Fmin
　　彈簧的極限載荷為：
　　因為工作圈數由6.11改為6.5，故彈簧的變形量和最小載荷也相應有所變化。
　　由式得：
　　λmin=λmax－h=(17.77-10)mm=7.77mm
　　(5)求彈簧的節距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧絲展開長度L
　　在Fmax作用下相鄰兩圈的間距δ≥0.1d=0.4mm，取δ=0.5mm，則無載荷作用下彈簧的節距為
　　p=d+λmax/n+δ1=(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm
　　p基本符合在(1/2～1/3)D2的規定范圍。
　　端面并緊磨平的彈簧自由高度為
　　取標準值H0=52mm。
　　無載荷作用下彈簧的螺旋升角為
　　基本滿足γ=5°～9°的范圍。
　　彈簧簧絲的展開長度
　　(6)穩定性計算
　　b=H0/D2=52/24=2.17
　　采用兩端固定支座，b=2.17<5.3，故不會失穩。
　　(7)繪制彈簧特性線和零件工作圖。