圓柱螺旋彈簧設計的探討

胡肖 琬玥

摘要：彈簧是一類通過其自身產(chǎn)生較大的彈性形變進行工作的彈性元件，現(xiàn)在是應用最廣泛的一種彈性零件。彈簧是重要的機械零件之一，作為一種具有彈力的機械元件，它廣泛用于各種機電裝置中。隨著機械技術的進步，彈簧的種類越來越多，對彈簧的要求也越來越高。傳統(tǒng)的彈簧設計理論已經(jīng)不能滿足競爭日益激烈的彈簧工業(yè)發(fā)展的需要。彈簧的種類很多，制造簡便、成本較低的當屬圓柱螺旋彈簧，也是在機械制造中使用最為普遍的。

關鍵詞：彈簧；設計；彈性

1彈簧分類

彈簧的種類繁多，分類方式也有多種：（1）按其所承受的荷載性質(zhì)分：拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種；（2）按彈簧形狀分：螺旋彈簧、蝶形彈簧、環(huán)形彈簧、板簧以及渦卷形彈簧等。

彈簧中應用最為廣泛的應屬螺旋彈簧，原因有以下幾個方面：螺旋彈簧是由彈簧絲卷繞制成的。其優(yōu)點主要有價格較低，制造簡便，易于監(jiān)測和安裝。這種彈簧可以制成多種形式的彈簧。一來可以制成受壓縮載荷的壓縮彈簧；二來也可以制成受拉伸載荷作用的拉伸彈簧；同時又可以制成承受扭矩作用和完成扭轉(zhuǎn)運動的扭轉(zhuǎn)彈簧，這就是其應用廣泛的最主要原因。

2彈簧功能

彈簧應用如此廣泛，種類又這么多，究竟彈簧有什么作用，下面我們簡單介紹下彈簧的功用。彈簧的功能有以下幾個重要的方面：（1）機械運動的控制；（2）振動和沖擊能量的吸收；（3）存儲和釋放能量；（4）測量力的大小。

3彈簧材料的選擇

彈簧材料的選用需要滿足很多要求，其中主要的也必須滿足的要求有如下幾點：（1）強度極限和屈服極限強度高；（2）還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性以及良好的熱處理工藝性等。在我們?nèi)粘５纳钪谐Ｓ玫教妓貜椈射摗⒌湾i彈簧鋼、硅錳彈簧鋼以及鉻釩鋼等。

在選擇材料的時候，我們需要考慮的主要因素有：（1）彈簧的用途；（2）所受的荷載性質(zhì)與重要程度、大??；（3）周圍介質(zhì)；（4）循環(huán)特性；（5）工作溫度等使用條件，以及商業(yè)經(jīng)濟節(jié)省性、熱處理和加工等因素。

4彈簧的制造

螺旋彈簧的制造工藝如下：

5彈簧的工作原理闡述

彈簧特性曲線的定義：彈簧載荷與其變形之間關系的曲線。彈簧剛度的定義：是指彈簧產(chǎn)生單位變形時對應的載荷，用k和kT分別表示壓（拉）彈簧的剛度與扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度 ：

對于受拉彈簧剛度計算

對于扭轉(zhuǎn)彈簧剛度計算

其中，F(xiàn)為彈簧軸向拉（壓）力，λ為軸向伸長量或壓縮量，T為扭轉(zhuǎn)型彈簧的扭矩，φ為扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角。

究其根本，彈簧剛度實際上就是指彈簧特性曲線上某點的斜率。彈簧按剛度可以劃分為定剛度和變剛度的彈簧。

6圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設計

彈簧設計的主要任務：選擇材料、確定彈簧絲直徑、彈簧圈數(shù)、變形量、結(jié)構(gòu)尺寸和必要的工作性能計算。

彈簧的強度計算

對于圓形彈簧絲：

彈簧的剛度：

穩(wěn)定性計算：

臨界載荷：Fcr=CBkH0

7疲勞強度驗算

疲勞驗算有其獨特的適用情況，其主要適用于以下情況：循環(huán)次數(shù)較多、工作在變應力下的重要彈簧。

疲勞強度的驗算：

8結(jié)語

彈簧的歷史可以追溯到古代，最早應用彈簧的例子就是弓箭的發(fā)明。古代馬車上的弓形彈簧是現(xiàn)代車輛中鋼板彈簧的雛型；近代，由于機械、汽車、電器等現(xiàn)代化大工 業(yè)生產(chǎn)的需要，促使彈簧生產(chǎn)走上了自動化、大批量生產(chǎn)的道路。而宇航、航空、石油、化工及核技術等工業(yè)發(fā)展，則對彈簧的生產(chǎn)提出了新的要求?，F(xiàn)代冶金科學發(fā)展，為彈簧生產(chǎn)提供了優(yōu)異的彈性材料。機械部門為彈簧生產(chǎn)提供了現(xiàn)代化的生產(chǎn)設備，使彈簧的生產(chǎn)逐步走上了采用新設計、新工藝、新材料的廣闊發(fā)展道路。

參考文獻

[1] 張濤.圓柱螺旋彈簧的參數(shù)化設計及分析[D].燕山大學,2012.

[2] 吳克強,于曉紅.機械設計[M].高等教育出版社,2003.