电连接器用圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算与强度校核.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：试 验 与 检 测电连接器用圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算与强度校核李百科，彭战良，侯香妮，赵欣，孔超，程鑫（陕西华达科技股份有限公司，陕西西安，）摘要：本文介绍了电连接器用压缩弹簧的刚度计算与强度校核，基于材料力学及有限元分析软件 ，对圆柱螺旋压缩弹簧进行力学计算与分析，并和测试结果作对比。分析结果表明，两种方法具有很好的拟合性，说明采用有限元分析更具有快捷、预先优化设计的优点，并且所设计的圆柱螺旋压缩弹簧符合预期的各项要求。关键词：连接器；弹簧；材料力学；：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言在电连接器行业中，弹簧作为弹性结构的主要零件起着重要作用，如防止插针、插孔接触件、连接套、安装板等结构件松动，使结构件复位、改变力的方向、增加预紧力等，因此，设计优良的圆柱螺旋压缩弹簧对提高电连接器性能具有重要的意义。设计原理及仿真分析 圆柱螺旋压缩弹簧的力学计算圆柱螺旋压缩弹簧作为提供弹力的主要零部件，要求压缩后具有一定的回弹力，即刚度满足要求，并且在压缩后不会产生永久性塑性变形，即强度也要满足要求。刚度系数计算根据弹簧受力条件，采用截面法进行受力分析，当弹簧压缩时，弹簧端面受到外力 作用，截面处受到剪切产生的内应力 以及扭转产生的扭矩 ：如下图所示。根据圆柱在纯扭转作用下，可知：（）式中：圆柱截面半径；半径为 处的切应力；剪切弹性模量图 弹簧受力分析图根据截面法受力平衡条件，扭矩为切应力在圆截面上的积分，可知：（）式中：外力产生的扭矩；圆截面微元；极惯性矩；即：（）对转角微元进行积分，可知转角如下（）式所示：（）根据功能原理：在弹性范围内，固体在外力作用下产生变形，外力所做的功与弹性体在外力作用下发生变形而产生的应变能相等，即：（）式中：弹簧有效圈数总长度；内力偶；弹簧压缩量。通过受力分析，将弹簧刚度系数、圆截面极惯性矩代入上式（），整理后可得刚度系数：（）强度校核弹簧丝横截面同时受到扭转及剪切产生的切应力，二者进行矢量叠加，可知：（）（）并且最大切应力应在横截面内圈与中心线的交点处。由于公式推导过程中假定切应力为均匀分布，因此需引入修正系数，修正后可得：()（）式中：旋绕比根据强度条件：最大切应力不大于许用切应力，即：。圆柱螺旋压缩弹簧模型计算根据产品结构要求，给定压缩弹簧的外形尺寸 ，并且压缩量为 时，要求产生 左右的弹力，结合以上公式，最终形成弹簧的各项参数如下表 所示。将以上各项参数代入式（）、式（）可得下表 所示数据。表 圆柱螺旋弹簧参数参数名称符号参数值参数名称符号参数值总圈数 圈自由高度 有效圈数 圈材料 簧丝直径 切变模量 中径 许用切应力 螺距 表 不同压缩量对应弹力及最大切应力序号压缩量 （）刚度系数（）弹力值（）最大切应力（）备注 用 进行力学仿真分析在前处理阶段，首先按照上表 ，定义 材料属性，并使用 软件建立三维模型，保存为 格式，并将该模型导入 ，三维模型如下图 所示，之后进行网格划分，网格采用四面体网格单元，在进行网格划分时，插入 ，将 设置为 ，控制网格划分质量，提高求解精度，网格划分如下图 所示。在弹簧的一端采用固定约束，在另一端按照上表加载位移条件约束，边界条件及激励如上图 所示，并进行求解，在后处理阶段，调取应力云图及弹力图，得出不同压缩量的应力云图如下图 ，弹簧弹力第 期李百科等：电连接器用圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算与强度校核如下图 所示。根据应力云图显示，在弹簧内侧存在应力集中现象，即在图中颜色较深区域，存在切应力最大值，弹簧每一圈上的应力集中位置和切应力最大值基本相同，并且随着压缩量逐步加大，弹簧弹力与最大切应力逐步增大，具体如下表 所示。图 三维模型图 网格划分图 边界条件及激励图 最大切应力（压缩量 ）图 最大切应力（压缩量 ）图 最大切应力（压缩量 ）图 最大切应力（压缩量 ）图 最大切应力（压缩量 ）图 最大切应力（压缩量 ）图 弹力（压缩量 ）图 弹力（压缩量 ）图 弹力（压缩量 ）机 电 元 件 年图 弹力（压缩量 ）图 弹力（压缩量 ）图 弹力（压缩量 ）表 不同压缩量下的弹力与最大切应力序号压缩量（）弹力（）最大切应力（）备注 均 性能验证测试及综合分析验证阶段对弹簧实物进行测量，弹簧实物图如下图 、所示，采用数显压力机进行测试，将弹簧固定在底座平面上，并将压力机接触头对准弹簧另一端表面，施加表 所示的压缩量，并记录对应弹力值，测试示意图如图 所示，为减小测量误差，本次测试选用套样品，并记录最终不同压缩量下的平均值。计算结果、仿真结果、实物测试结果如表 所示，各项数据具有很好的拟合性。表 不同压缩量下的弹力、最大切应力结果对比样品序号压缩量 （）弹力结果对比（）最大切应力（）计算数据仿真数据实测数据计算数据仿真数据 结语通过以上对计算结果、仿真结果、测试结果的对比，无论是弹力还是最大切应力，最后得出的结果具有很好的拟合性，验证了理论计算及 仿真分析结果的准确性，并且为电连接器用弹簧设计提供了良好的理论计算方法与仿真分析实例，说明采用有限元分析更具有快捷、预先优化设计的优点，使前期设计阶段，可以保证弹簧各项性能的准确性，避免了后期结构的再调整，提高了设计效率。参考文献：李川海，弹簧设计制造实用手册 ，北京：中国科技出版社，成大先，机械设计手册（第五版），北京：化学工业出版社，谢龙汉，蔡明京 有限元分析及仿真，北京：电子工业出版社，邱棣华，材料力学，高等教育出版社，王勋成等，有限单元法基本原理与数值方法，北京：清华大学出版社，第 期李百科等：电连接器用圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算与强度校核