螺旋弹簧疲劳寿命估算方法

弹簧作为重要的基础件广泛地应用在机械制造和电器行业之中，是一个重要的受力构件，其功能无非是减振、缓冲、储能、自动控制和产生回复力。它的好坏直接影响着所服务的整机性能和可靠程度，多数弹簧工作是在反复载荷作用下，其破坏形式主要是疲劳断裂。疲劳破坏的过程往往是从裂纹的成核、形成、扩展，直到产生突发性的脆断，因此，疲劳强度应当成为弹簧设计的重要依据。

螺旋弹簧破坏形式与应力分析大量的试验和使用证明，在循环载荷作用下螺旋弹簧其破坏断口形状是沿螺旋弹簧内径表面与弹簧轴线呈45°方向由内向外断裂，特别是裂纹源多数起源于弹簧内径表面处，断裂截面呈45°并有放射线状花样由裂纹源向外扩展，断口呈脆断形式无明显塑性变形，是曲利的病费断口形式，弹簧的应力状态分析如下：

若螺旋弹簧受到中心压力F，则在弹簧钢丝截面会引起两种切应力，由F产生的扭矩Mk引起的最大切应力，两种切应力只要在螺旋弹簧内径表面才能叠加成最大切应力：如下图

螺旋弹簧疲劳寿命估算方法

由于弹簧材料(高碳素弹贫钢丝或65Mn等)均为含碳量高的金属材料,其强度高,塑性差,断裂状态属于正断型,沿最大拉应力方向呈疲劳开裂,而不可能是沿截面最大切应力方向的切断型,多次试验结果证明这种理论分析的正确性。

弹贫钢丝裂纹扩展速率与寿命估算分析

大量疲劳试验表明,尺寸大约为0.01mm量级的微裂纹源常常早在整个寿命的10%以内就已经在一些微观应变不均匀的地区或应力集中处形成,而由这微型裂纹扩展到宏观可测裂纹又占疲劳寿命的主要部分,而有的材料由于冶金缺陷和损伤等原因,予先就有初始裂纹存在。因此,疲劳寿命问题,实质上就是裂纹扩展问题。

根据弹贫的工作载荷情况,弹簧的疲芳问题属于高周应力疲劳,材料裂纹尖端塑性区远比裂纹长度或其它特征几何尺寸小的多,故可用线弹性断裂力学方法来分析问题。众所周知,在线弹性断裂力学中,疲劳裂纹扩展速率常用Paris公式:

图片3.jpg

按（3)式即可估算出弹簧断裂时的寿命。而实际上弹簧疲劳实验数据比按（3)式计算出的寿命要低很多，而主要原因是裂纹在扩展过程中，△σ1（(△K1)不是一个常量，它会随着裂纹长度a的变化而变化，而且越变越大，因此（3)式就有一定的近似性。上述估算方法有待进一步从理论上研究，以求得与实验大致符合的估算公式，是我们今后的任务。目前，在实际应用中，弹簧疲劳寿命仍借助于实验统计方法求出。

测试弹簧寿命的方法

目前弹簧疲劳寿命测试多采用抽查方法，如果每个弹簧都做疲劳测试是不允许的，根据疲劳累积损伤理论，多次试验必然会造成弹簧整个使用寿命的降低。抽查试验是在多工位疲劳试验机上进行，抽查数目越多越接近实际情况的真值，但太多了又会给试验工作带来麻烦。

弹簧疲劳源的产生与多种因素有关，决定弹簧的制造工艺，材料的性质与组织内部组织结构的疲劳源的产生是一种随机问题，因此，他又是一个概率问题，必须通过大量的试验运算统计规则，找到他们概率分布，需要在这方面做大量的工作，利用裂纹扩展规律，估算上需投入大量的试验与研究，从而求得弹簧寿命的一种正确的结果。