圆柱弹簧设计汇总.doc

一,圆柱螺旋压缩弹簧各部分名称及尺寸关系

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2007-7-9 12:19

  此图为圆柱螺旋压缩弹簧各部分尺寸,图中尺寸的意义如下
1.        簧丝直径d 弹簧的钢丝直径（俗称线径或线径）
2.        弹簧外径D 弹簧的最大直径（俗称大径,也有的公司用OD来表示外径,知道就好,不要学这种坏习惯）
3.        弹簧内径D1弹簧的最小直径(俗称小径,也有的公司用ID来表示内径,知道就好,不要学这种坏习惯）
4.        弹簧中径D2弹簧的平均直径(俗称中心径,也有的公司用Dcen来表示外径,知道就好,不要学这种坏习惯）
5.        节距t 除两端支撑圈外,弹簧上相邻两圈在相对应两之间的轴向距离
6.        弹簧圈数 弹簧圈数共有三种,即有效圈数n,支撑圈n2,和总圈数n1.
7.        自由高度H0 弹簧在不受外力时的高度（或长度），H0=nt+(n2-0.5)d
当然弹簧的参数远远不只这些，像一些疲劳特性计算,有效寿命的计算, 载荷与变形屈服曲线,弹簧刚度有限元分析等,在扫盲班中就不做解释了,放在后面提高班中再介绍.

接下来简单介绍一下弹簧的加工艺:
我们常用碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、镍合金和橡胶等材料来制作弹簧。弹簧的制造方法有冷卷法和热卷法。弹簧丝直径小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用热卷法。有些弹簧在制成后还要进行强压或喷丸处理，可提高弹簧的承载能力。

我们回到正题,讨论一下此次扫盲题的分析及计算:
首先我们要搞清楚弹簧的刚度计算公式~
弹簧刚度值我们用K来表示,单位是N/mm2
K=G*d^4/8*d2^3*n   其中G是指材料的切变模量(俗称弹性系数),此数据一般可通过查表获得,也可以要求供应厂商提供材料物性表获得.常见的像SUS631,SUS316,SUS304,SUS302等为70000N/mm2 弹簧刚,65Mn等等约为80000N/mm2~
求得K值后后，我们还需获得弹簧的作用长度L值，此长度由我们设计者来设计确定。
作用长度指弹簧的预压长度+作用行程长度之和 如一个弹簧由10压缩至6,那么它的作用长度则为4.如果还有预压高度，也要一并算入作用长度。
最后弹簧作用力P值为：P=K*L
以题目为例，(此题没有标准答案,给了很大的空间让我们去设计)

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2007-7-9 12:22

1,选用材料,这要看我们的实际产品需求去自行选择,目的就是要求学会材料的切变模量的获得
2,分析装配关系,确定我们弹簧的内外径,有效圈数,及线径的取值范围,由图面分析我们可以知道,弹簧的内径不应小于8.4 外径不应大于15 自由高度不应小于10 当产品处于ACTION STATE时,还要考虑到弹簧线径d和总圈数n1的选取.如果线径过粗,总圈数过多,就会造成干涉使产品不能到达ACTION STATE.
3.自选将相关设计参数代入公式中,获得弹簧参数
首先确定K值。假如我们选取65Mn作为弹簧材料，查表得65M材料切变模量(材料弹性系数)：G=80000N/mm2
将弹簧参数代入K=G*d^4/8*d2^3*n 公式中求得K值。最后求弹簧作用力P=K*L

具体的计算过程我就不多讲了，毕竟大家都不是小学生了~
而此题也没有标准答案，只要是符舍设计要求的都行。我们可以随意改变弹簧线径，有效圈数，自由高度，内径等参数来调整弹簧作用力。
最后我们来一起赏析下lystrung 兄弟的分析&计算过程：

1、选择弹簧材料，常用普通弹簧一般选择70#钢或65Mn,在此选择65Mn；
2、确定弹簧最小线径：
   曲度系数：K=4C-1/(4C-4)+0.615/C
             K=23/20+(0.615/6)=1.2525
   确定弹簧最小线径：

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3、确定弹簧有效圈数：
   弹簧刚度：k=F/y=280*9.8/1000*5=0.5488N/mm
   假设线径d=0.8mm，中径D2=13mm
   查表：材料切变模量(材料弹性系数)：G80000N/mm2
   有效圈数：n=G*d4/8*D23*k=80000*0.84/8*133*0.5488=3.4
   总圈数N=5
4、作出图纸：

首先说下弹簧设计的2个最基本的公式：
1.弹簧常数K：单位kg/mm            
2.彈簧作用力P：单位g
说明：G(弹性系数)：对不同材料，可以查资料（不锈钢304为7000 kg/mm2）
d(线径)
OD(外径)
Dcen(中心径)：OD-d
Nc(有效圈数)：总圈数-2
L(作用长度)：预压长度+作用行程
当然做好一个要求高的压缩弹簧，要考虑的远不止这些，要考虑弹簧处理后应力的变化、摩擦力影响等等因素。
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原题的要求，附图片：
1.压缩弹簧被用在一个装配件里，里面的为塑料件。塑料件和弹簧相配合的直径为8.4mm。
2.装配好后，在不受外力的情况下，弹簧的长度为10mm。
3.在受外力270-280g的情况下，弹簧的长度为为5mm，也就是说弹簧作用行程也为5mm。
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分析上面的2个基本公式：
1.G((弹性系数)是通过选材料可以确定的。（我用的不锈钢304）
2.d(线径)怎么选取呢？我们假想下，如果选d=1的话，那么弹簧的圈数就不能超过6圈（保守的圈数），因为在280g力压紧后，空间高只有5 mm（6圈*1=6 mm），会产生矛盾干涉。所以根据以往画弹簧经验，这里我就取d=0.6，（直径太细影响受力，就不取d=0.3了），那么同时确定弹簧的总圈数=7圈，Na有效圈数为5圈，符合弹簧受力的要求（个人认为圈数太少也会影响受力），弹簧压紧后的高度=7圈*0.6=4.2 mm，小于5 mm，符合设计意图。
3.OD(外径) 怎么选取呢？根据图纸，塑料件和弹簧相配的直径为8.4mm，所以取弹簧的内径为9 mm（不松也不紧）那么OD =9+0.6*2=10.2mm
4.Dcen(中心径)= OD-d=10.2-0.6=9.6 mm
5.Na (有效圈數)：上面确定线径的时候已经确定了Na=7-2=5圈（两头有2圈是并齐的，就不多说了）
综合上面所叙述，弹簧常数K就可以算出来了
K=7000*0.6^4/8*9.6^3*5=0.0256Kg/mm=25.6g/mm   (代入公式1就OK了)
那么弹簧常数K出来了，代入公式2就可以算得L=P/K=10.93≈11 mm
因为L=预压长度+作用行程     所以预压长度=L-作用行程=11-5=6mm
得出结论：弹簧的自由长度=预压长度+预压载荷时的长度=6+10=16mm