蝸卷螺旋彈簧負荷的測試與數據分析

孫志剛 廖志鵬/中國第一重型機械股份公司

蝸卷螺旋彈簧負荷的測試與數據分析

孫志剛 廖志鵬/中國第一重型機械股份公司

本文對蝸卷螺旋彈簧的負荷參數進行了數據分析，校正了原工藝圖紙，穩定了設計和工藝。

蝸卷螺旋彈簧；負荷；數據分析

蝸卷螺旋彈簧（如圖1所示）能夠承受較大的載荷，吸收較大的變形能，且結構緊湊，在某些重型機械上因工作載荷變化范圍大，震動沖擊較強，安裝空間又受到限制的減震裝置上大都選用這種彈簧。但這種彈簧的制造工藝較為復雜，成本高，且由于彈簧圈之間的間隙小，熱處理比較困難，也不能進行噴丸處理，給設計和制造帶來一定的困難。

圖 1

九九年以來我分廠陸續接到幾匹這種彈簧。此批彈簧的原圖紙在力的負荷范圍上有一定的出入。即實際測出的力與原設計要求相差甚多。給我們帶來了一定的困難，為此，我們對這種蝸卷螺旋彈簧進行了數據分析，校正了原來圖紙，穩定了設計、工藝和制造工序。

1.現把設計驗算過程簡要敘述如下：

1.1.原已知參數

自由高度：H0=180mm 有效圈數：n=4.5圈

小圓半徑：R1=14.5mm 大圓半徑：R2=38.5mm

坯料長：L=1000mm寬：b=70mm厚：a=3mm

B.原圖紙負荷簡圖：

C.坯料尺寸：

1.2.

驗算其負荷大小：

這種彈簧在受到載荷以后，特性線OA段是直線，（如圖2）當載荷逐漸增大時，彈簧從大圈開始逐漸接觸，有效工作圈數隨之減少，而剛度則逐漸增大，一直到所有的彈簧圈完全壓并為止。AB段為漸增型。這種彈簧的剛度是變值的。

由于我們接觸到的知識等螺旋角的蝸卷螺旋彈簧，所以這里只討論截面是矩形的等螺旋角彈簧設計原則。

圖2

等螺旋角彈簧材料中心線的展開線為直線，在XY底平面的投影為對數螺旋線。此螺旋線方程為：

由于此式比較為復雜，在使用中常將等節距彈簧圈i的半徑計算式用于等螺旋角的彈簧圈i的半徑計算式。即

開始有彈簧圈接觸以前的變形計算，由于蝸卷螺旋彈簧螺旋角α比較小，則各彈簧圈材料截面只受到如下扭矩：

而按能量法則，可得彈簧在彎矩作用下的變形公式（2）

ID-彈簧材料截面極慣性矩

Ib-彈簧材料截面繞?軸回轉的慣性矩

In-彈簧材料截面繞軸回轉的慣性

將此式代入（3）式，并改取積分限由R1到：R2

從大端數起到彈簧圈i的自由高度

2.確定具體參數

以上推導了此螺旋蝸卷彈簧的理論公式。現應用到具體的校核之中，把本文開頭的已知參數代入以上公式：

而彈簧圈i接觸時所受到的載荷

彈簧圈i的半徑由（1）式可得

從大端數起到彈簧圈i的自由高度

根據以上數據或公式，可得出下表

按等螺旋角設計的彈簧特征參數

據此表可做出下面特性曲線

從圖表中可以看出，當i?0時，即剛剛開始并圈時，變形量F=62mm所需載荷，

485.7kgf而以后呈非線性特征。

那么有前（6）式可算出其剛度P’?7.73

由此可以算出在變形量F?62mm以內，完全可以按照普通彈簧來進行計算。

即

三、結語

經過對蝸卷螺旋彈簧進行數據分析，我們確定了其具體的負荷參數，從而穩定了設計和工藝。所產生出的彈簧經檢驗各項指標均達到了設計要求。送交用戶使用后，用戶十分滿意。