圓柱螺旋彈簧設計的探討

胡肖 琬玥

摘要：彈簧是一類通過其自身產生較大的彈性形變進行工作的彈性元件，現在是應用最廣泛的一種彈性零件。彈簧是重要的機械零件之一，作為一種具有彈力的機械元件，它廣泛用于各種機電裝置中。隨著機械技術的進步，彈簧的種類越來越多，對彈簧的要求也越來越高。傳統的彈簧設計理論已經不能滿足競爭日益激烈的彈簧工業發展的需要。彈簧的種類很多，制造簡便、成本較低的當屬圓柱螺旋彈簧，也是在機械制造中使用最為普遍的。

關鍵詞：彈簧；設計；彈性

1彈簧分類

彈簧的種類繁多，分類方式也有多種：（1）按其所承受的荷載性質分：拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧等四種；（2）按彈簧形狀分：螺旋彈簧、蝶形彈簧、環形彈簧、板簧以及渦卷形彈簧等。

彈簧中應用最為廣泛的應屬螺旋彈簧，原因有以下幾個方面：螺旋彈簧是由彈簧絲卷繞制成的。其優點主要有價格較低，制造簡便，易于監測和安裝。這種彈簧可以制成多種形式的彈簧。一來可以制成受壓縮載荷的壓縮彈簧；二來也可以制成受拉伸載荷作用的拉伸彈簧；同時又可以制成承受扭矩作用和完成扭轉運動的扭轉彈簧，這就是其應用廣泛的最主要原因。

2彈簧功能

彈簧應用如此廣泛，種類又這么多，究竟彈簧有什么作用，下面我們簡單介紹下彈簧的功用。彈簧的功能有以下幾個重要的方面：（1）機械運動的控制；（2）振動和沖擊能量的吸收；（3）存儲和釋放能量；（4）測量力的大小。

3彈簧材料的選擇

彈簧材料的選用需要滿足很多要求，其中主要的也必須滿足的要求有如下幾點：（1）強度極限和屈服極限強度高；（2）還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性以及良好的熱處理工藝性等。在我們日常的生活中常用到碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼以及鉻釩鋼等。

在選擇材料的時候，我們需要考慮的主要因素有：（1）彈簧的用途；（2）所受的荷載性質與重要程度、大小；（3）周圍介質；（4）循環特性；（5）工作溫度等使用條件，以及商業經濟節省性、熱處理和加工等因素。

4彈簧的制造

螺旋彈簧的制造工藝如下：

5彈簧的工作原理闡述

彈簧特性曲線的定義：彈簧載荷與其變形之間關系的曲線。彈簧剛度的定義：是指彈簧產生單位變形時對應的載荷，用k和kT分別表示壓（拉）彈簧的剛度與扭轉彈簧的剛度 ：

對于受拉彈簧剛度計算

對于扭轉彈簧剛度計算

其中，F為彈簧軸向拉（壓）力，λ為軸向伸長量或壓縮量，T為扭轉型彈簧的扭矩，φ為扭轉彈簧的扭轉角。

究其根本，彈簧剛度實際上就是指彈簧特性曲線上某點的斜率。彈簧按剛度可以劃分為定剛度和變剛度的彈簧。

6圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設計

彈簧設計的主要任務：選擇材料、確定彈簧絲直徑、彈簧圈數、變形量、結構尺寸和必要的工作性能計算。

彈簧的強度計算

對于圓形彈簧絲：

彈簧的剛度：

穩定性計算：

臨界載荷：Fcr=CBkH0

7疲勞強度驗算

疲勞驗算有其獨特的適用情況，其主要適用于以下情況：循環次數較多、工作在變應力下的重要彈簧。

疲勞強度的驗算：

8結語

彈簧的歷史可以追溯到古代，最早應用彈簧的例子就是弓箭的發明。古代馬車上的弓形彈簧是現代車輛中鋼板彈簧的雛型；近代，由于機械、汽車、電器等現代化大工 業生產的需要，促使彈簧生產走上了自動化、大批量生產的道路。而宇航、航空、石油、化工及核技術等工業發展，則對彈簧的生產提出了新的要求。現代冶金科學發展，為彈簧生產提供了優異的彈性材料。機械部門為彈簧生產提供了現代化的生產設備，使彈簧的生產逐步走上了采用新設計、新工藝、新材料的廣闊發展道路。

參考文獻

[1] 張濤.圓柱螺旋彈簧的參數化設計及分析[D].燕山大學,2012.

[2] 吳克強,于曉紅.機械設計[M].高等教育出版社,2003.