圆柱形螺旋弹簧弹力影响因素研究报告.doc

圆柱形螺旋弹簧弹力影响因素研究报告一、 圆柱形螺旋弹簧简介定义：将簧丝绕制成圆柱形螺旋状的弹簧；其簧丝截面为圆形或矩形。圆柱形螺旋弹簧可用作拉伸弹簧、压缩弹簧或扭转弹簧。本文针对压缩弹簧进行介绍。弹簧结构参数如表1.1所示。压簧：线径外（内)径 长度圈数 结构参数表 1.1名称表示字母单位备注材料直径（线径）dmm/inh弹簧钢丝直径中径Dmm外径 mm内径mm节距/pitchtmm绕旋比CC=D/d，510mm易生产自由高度mm工作高度mmi=1,2,3,压并高度mm弹簧最短时展开长度Lmm弹簧拉直的长度螺旋角初拉力g/kg弹簧刚度/弹性系数kN/mm单位变形量的工作负荷自由角度扭转弹簧没有负荷时的角度工作角度有效圈数n二、 公式胡克定律： 弹性系数：弹簧弹力： 注： F弹簧弹力 变形量 G切变模量 其中G与温度有关，在以气体为动力的汽动枪械中，弹簧的工作环境温度在60以下，而在60以下时，弹簧切变模量G的温度修正系数取值为1，故G的大小至于弹簧选用材料有关，可由机械设计手册第二卷查到。三、 分析（1） G由弹簧材料决定，取值参照d在机械设计手册第二卷中选取。在室温条件下切变模量温度修正系数为1，公司产品中弹簧材料多选用琴钢丝和热轧弹簧钢，则前者G取79GPa，后者G取78GPa;虽然随着G的增加，弹簧弹力F线性增大，但考虑到弹簧成本和结构尺寸限制，而且常用弹簧材料中G取79GPa已经最大，故不考虑改变G来实现弹簧弹力的改进。（2） 弹簧有效圈数增加，弹簧弹性系数变小，弹力减小。弹簧有效圈数n的变化直接影响压并高和自由高度，以及最大压缩变形量。在同样的工作高度的条件下，则 ： ，是减小的；反之则，是增加的。（3） 在弹性系数及其他条件不变的情况下，有随着的变大而线性增加。一般产品结构确定的条件下，弹簧压缩行程固定，不通过改变变形量来实现弹力的改变。（4） 次要影响因素D：针对单因素D研究其对F的影响时，有， F随着D的增加，进行递减，影响较大。设计弹簧时，考虑到弹簧安装基准，如以内径为装配基准，在增大线径大小时，中径也要相应增大；如以外径为装配基准，在增大线径大小时，中径要相应减小，这种情况会使弹簧弹力大幅提高。（5） 主要影响因素d：针对单因素d研究其对F的影响时，有，F随着d的增大而增大。增大线径固然能大幅提高弹簧弹力，增大线径同时也增大了压并高，影响圆柱形螺旋弹簧的直径大小，在设计时，必须综合考虑到工作高度，压并高要求以及弹簧内、外径的要求范围。四、 结论(1) 主要因素是线径d，影响关系式：，弹力与线径成正比，四次方关系，影响较大。(2) 次要关系是中径D，影响关系式：，弹力与中径成反比，负三次方关系。(3) 有效线圈数n与F成反比，线性关系，n增加一倍，F减小一倍。(4) 压缩变形量与F成正比，增大一倍，F增大一倍。(5) 切变模量G与弹簧材料有关，与F成正比，与一样。 综上所述，在公司开发的产品中，一般弹簧材料选用的是T9A，考虑加工成本等，一般不通过改变弹簧材料来实现弹簧弹力的改变；由于产品结构一般设计固定后，弹簧工作行程大小也固定，故不通过改变弹簧压缩变形量来实现弹簧弹力的改变；针对主次因素，可以通过增大弹簧线径，减小有效圈数，甚至减小中径大小，来实现弹簧弹力的大幅增大，在增大线径的同时要考虑弹簧装配基准问题，如以内径为基准，则中径随之增大，这对弹簧弹力的增大起反作用；如以外径为基准，则增大线径，中径也随之减小，这将使弹簧弹力得到大幅提高。在减小有效圈数的同时要充分考虑弹簧自由高度，使安装后的弹簧有一定的弹力，不至于安装后出现松动。一般设计增大弹簧弹力，需要综合考虑，通过改变各个因素，既要符合弹簧工作要求，又能最优化的提升弹簧弹力。案例：原弹簧：线径d=1.1mm，自由高度=110mm，总圈数=20，外径=11mm，中径=9.9mm，要求工作高度=23mm，求弹力F：解答：压并高=21*1.1=23.1mm （注：这里压并高比工作高度大是错误的，但是差值小，）变形量=110-23=87mm有效圈数n=18弹簧弹力：改进要求：（1）安装高度80.3mm，（2）工作高度23mm，（3）外径不大于12.3mm，（3）内径不小于9.3mm，（4）载荷增大解答：增大线径比d=1.3mm，由于工作高度为23mm，则压并高必须比23mm小。由=d 即23=1.3，得出=17；定=9.5mm，则=10.8mm；n=15, =95.433mm则弹簧弹力：提高量按照改进方案加工后的弹簧弹力达到105N，提高注：本文只作压缩弹簧设计参考，针对不足和有误之处，敬请批评指正。（技术部：王光鑫）2012年7月4日星期三二、圆柱形螺旋扭簧设计计算结构参数表2.1名称表示字母单位备注材料直径（线径）dmm/inh弹簧钢丝直径中径Dmm外径 mm内径mm节距/pitchtmm绕旋比C初始角度工作角度i=1,2,3,工作变形角度试验变形角度允许承受最大扭转角展开长度Lmm弹簧拉直的长度扭臂长度mm弹簧刚度/弹性系数k