扭轉彈簧的設計計算方法

陜西凌云電器集團有限公司 孫 飛

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扭轉彈簧的設計計算方法

陜西凌云電器集團有限公司 孫 飛

【摘要】本文以某型機載設備天線中的扭轉彈簧設計為例，按照彈簧工作方式進行理論計算，提出了設計合用可靠的彈簧零件的方法，從而使設備和天線得以在空間非常緊張航空器吊艙內安裝，并且保證使用要求。

【關鍵詞】彈簧；機構；設計計算

引言

航空無線電電子設備空間相對緊湊，而機構往往又需要占據相對較大的空間，因此對機構的精確設計計算既能夠既滿足使用要求又可使之得以精簡。傳統的設計方式往往是根據經驗，通過類比或應用簡單有限的經驗公式進行設計計算。為了保證回彈力矩、疲勞強度等要求，往往留有過大的余量。這樣的設計雖也能滿足要求，但其結果常常是設備臃腫，系統龐大，或是彈簧在多次壓縮和釋放后達到疲勞強度極限。而后更改設計和再次試驗，直到滿足要求，需要多次反復。

本文通過介紹一種扭轉彈簧的設計計算方法，為設計者提供設計依據和參考，在壓縮彈簧或拉伸彈簧等彈簧機構的設計計算中，亦可參考。

1　彈簧工作情況

某天線為半波偶極子全向天線，裝機時需要豎直安裝于無人機機頭部位，而無人機裝于無人機吊艙內。吊艙空間有限，無法豎直安裝天線，因此設計彈簧機構。無人機在吊艙內放置時天線折下節約空間，釋放飛行后，天線自動彈起到工作的豎直位置。

根據彈簧機構夾持的幾何尺寸關系，需要設計的彈簧有2種工作狀態：

1）裝入吊艙時，彈簧由自由狀態的輪廓角120°壓縮至29°，此時扭轉彈簧的扭轉角為91°，即最大變形角為91°（120°-29°）。

2）脫離吊艙后，天線處于豎直向上狀態，扭轉彈簧的扭轉角減小，減小量為61°（90°-29°），對應最小扭轉變形角為30°（120°-90°）。

除了這兩種工作狀態以外，還需考慮彈簧的極限破壞情況，也就是當扭矩增大到一定程度時，彈簧到達許用彎曲應力極限從而導致損壞。

天線的工作情況如圖1所示。

圖1　天線彈簧工作示意圖

2　彈簧設計及計算

2.1彈簧材料

根據使用情況，彈簧材料選用GB4375-1989規定的70#碳素彈簧鋼絲。它分為B、C、D三級，由于此天線的重量很輕（約0.3kg），故選取B級，用于制作低應力彈簧。

2.2材料性能

1）GB4375-1989規定的碳素彈簧鋼絲的性能與簧絲直接相關，根據結構設計要求，選取使用直徑d=0.8mm的簧絲，它的參數如下：單位MPa（1N/mm2）

d=0.8mm 1710～2060 取均值1885

注：*要求鋼絲表面光滑、不得有裂紋、折疊、起刺、銹蝕等其他有害缺陷；

**要求對直徑小于等于6mm的鋼絲應進行扭轉試驗。直徑小于等于2mm，B、C級扭轉次數不小于20次。在規定扭轉次數內扭轉后，表面不得有肉眼可見的裂紋和分層。

a）彈簧的負荷

彈簧的負荷分為三類：

Ⅰ類受變負荷作用，次數在100000次以上，

Ⅱ類受變負荷作用，次數在1000～100000次，或沖擊負荷，

Ⅲ類受變負荷作用，次數在1000次以下，

考慮本彈簧實際工作情況，它的載荷性質屬于Ⅲ類。

3）剪切彈性模量G

當0.5≤d≤4 G=81.5～78.5 GPa

4）彈性模量E

當0.5≤d≤4 E=204～202 取 203 GPa 5）制成彈簧推薦使用溫度 -40～120℃

2.3相關計算與選擇

考慮整個天線的結構設計工作，我們設計出彈簧的有效圈數，選取合適的彈簧中徑和簧絲直徑后，必須計算彈簧在2個工作位置和到達極限應力位置時所受到的扭矩。通過計算校核保證彈簧的受力情況在允許的應力范圍內，從而滿足使用要求又安全可靠。

項目 單位 公式及數據

彈簧中徑D mm 6

簧絲直徑d mm 0.8

旋轉比C C=D/d=7.5

根據此計算結果，可選取彈簧有效圈數n=6圈。

17.75在6.7～33.5取值范圍內，說明天線在工作狀態（豎直）下，彈簧扭轉角度為30°時在最小工作扭矩合理要求之內。

校核三個工作點處斜率 116.65/68.94=1.692

91/53.85=1.690

30/17.75=1.690

三個工作點基本一致，線性度較好。

簧絲間距 取δ=01mm

圖2　彈簧工作圖

3　彈簧的穩定性、疲勞強度及共振計算

本彈簧屬于Ⅲ類載荷彈簧，設計時各參數滿足彈簧工作線性關系，彈簧始終工作在許用應力范圍內，故不必進行疲勞強度及共振計算。其細長比，故不必驗證穩定性。

4　結果分析

至此，彈簧設計校核結束，彈簧工作圖如圖2所示。

本彈簧為冷卷直臂扭轉彈簧，最終彈簧零件見圖3。

彈簧材料 70#碳素彈簧鋼絲 B級

外形尺寸 外徑φ=6mm

簧絲直徑 d=0.8mm

扭轉范圍 0～120°，最小變形角30°，最大變形角91°

圖3　彈簧零件圖

5　結束語

本文針對某天線的安裝問題，提出了一種彈簧機構的設計計算及強度校核方法，實現了在空間不足時設備在吊艙內的安裝。目前航空無線電電子設備正在向集成化、模塊化的方向高速發展，在有限的設備空間內恰當的使用機構設計能夠有效提高安裝空間。經過實踐，用此方法設計校核的彈簧機構工作穩定可靠，在設計中具有較強的指導意義。