压力弹簧设计

　　设计螺旋压力弹簧时，一般给出更大工作载荷 F和所对应的变形，其设计步骤为∶首先根据工作条件选择材料，确定出许用切应力τ。然后初步选取弹簧旋绕比C=5~8，根据公式计算出弹簧材料的直径 d，圆整为标准值;由 D=Cd计算出D。根据表计算出工作圈数 n。当此三个基本参数确定后，再验算弹簧的试验载荷和疲劳强度。最后计算出有关几何参数∶节距t、螺旋角α、内径D、外径 D2、自由高度 H。和弹簧材料的长度 L等。必要时应进行弹簧的稳定性验算。在设计弹簧时，往往先选取几个C值同时计算，将结果进行比较，最后选择适宜的数值。所以这种计算方法较为复杂。

　　例如，设计一圆柱螺旋压力弹簧。当更大工作载荷F=1400N时，其变形=20mm。所受载荷为静载荷，要求各圈受力均匀并具有防腐蚀能力。

　　解 （1）选择材料和确定许用应力 根据弹簧所受载荷特性及要求，查表选用 B组不锈弹簧钢丝。许用应力τ可查表按受静类载荷的弹簧考虑，其τ=0.45σb。材料的抗拉强度σb与钢丝直径d有关，先假设钢丝直径d=5~7mm，其对应的σb=1350~1600MPa。根据查表得切变模量G=71.5×10'MPa。取试验切应力τs=τ=0.45σb=0.45×1350=608MPa。

　　（2）选择旋绕比查表初步选取旋绕比C=5。

　　（3）计算钢丝直径 直径公式d≥1.6√KFC/τ

　　由于所受载荷的静载荷，所以取曲度系数K=1。

　　d≥1.6√1*14000*5/608MM=5.4

　　钢丝直径d在假设范围内，查表选取d=5.5mm。

　　（4）弹簧的中径 D=Cd=5×5.5mm =27.5mm

　　查表取系列值D=25mm。

　　（5）计算弹簧圈数

　　n=Gd^4f/8FD^3=71500*5.5^4*20/8/1400/25^3=7.5圈

　　取n=7.5圈。

　　计算试验载荷 根据试验载荷公式

　　Fs=πd^3/8/Dτs=π5.5^3/8/25*608N=1588N

　　（7）自由高度 为了增加其受力均匀性，采用 YI型端部结构两端并紧并磨平，按式可知其自由高度∶H0=nt+1.5d

　　取δ，=0.1d，按式初估节距∶t=d+f/n+σ1=(5.5+20/7.5+0.1*5.5)mm=8.7mm

　　代入上式得自由高度∶H0=(7.5×8.7＋1.5×5.5)mm =73.5mm

　　查表取H0=75mm。

　　（8）弹簧的节距 查表可得节距∶t=(H0-1.5d)/n=(75-1.5×5.5)/7.5mm =8.9mm

　　（9）弹簧的螺旋角 根据公式可得螺旋角∶α= arctan t/π/D= arctan8.9/π/25=6.5度

　　此值符合一般要求α=5度~9度。

　　（10）弹簧的稳定性验算 采用两端固定支承。其高径比∶b=H0/D=75/25=3

　　查表可知b<5.3、满足稳定性要求。

　　（11）弹簧材料展开长度 根据公式可得材料展开长度∶L=πDn1/cosα=π*25*9.5/cos6.5度mm =751mm

　　（12）弹簧的实际性能参数 根据查表可知弹簧刚度∶F'=Gd^4/8D^3n=71.5×10^3×5.5^4/8/25^3/7.5N/mm =69.8N/mm

　　对应于变形f=20mm的弹簧载荷∶F=F'f =69.8×20N =1396N

　　弹簧的试验变形∶fs=Fs/F'=1667/69.8mm =24mm

　　（13）弹簧的工作图 工作图见图。图中D和H0公差按 GB/T1239.2中的3级度选取（表7-4和表7-6）。两端圈与弹簧轴线的垂直度公差以及载荷允许偏差按2级精度查取（表7-8）。如选取旋绕比C=7、按照上列同样步骤计算，可得其主要几何参数为d=6.5mm，D=45mm，n=3圈，n=5圈，H。=52mm，这些结果也满足基本要求。但有效圈数较少，弹簧直径较大，从结构型式看不如选取C=5的结构较为合理。