圆柱螺旋弹簧设计的探讨

胡肖 琬玥

摘要：弹簧是一类通过其自身产生较大的弹性形变进行工作的弹性元件，现在是应用最广泛的一种弹性零件。弹簧是重要的机械零件之一，作为一种具有弹力的机械元件，它广泛用于各种机电装置中。随着机械技术的进步，弹簧的种类越来越多，对弹簧的要求也越来越高。传统的弹簧设计理论已经不能满足竞争日益激烈的弹簧工业发展的需要。弹簧的种类很多，制造简便、成本较低的当属圆柱螺旋弹簧，也是在机械制造中使用最为普遍的。

关键词：弹簧；设计；弹性

1弹簧分类

弹簧的种类繁多，分类方式也有多种：（1）按其所承受的荷载性质分：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；（2）按弹簧形状分：螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、板簧以及涡卷形弹簧等。

弹簧中应用最为广泛的应属螺旋弹簧，原因有以下几个方面：螺旋弹簧是由弹簧丝卷绕制成的。其优点主要有价格较低，制造简便，易于监测和安装。这种弹簧可以制成多种形式的弹簧。一来可以制成受压缩载荷的压缩弹簧；二来也可以制成受拉伸载荷作用的拉伸弹簧；同时又可以制成承受扭矩作用和完成扭转运动的扭转弹簧，这就是其应用广泛的最主要原因。

2弹簧功能

弹簧应用如此广泛，种类又这么多，究竟弹簧有什么作用，下面我们简单介绍下弹簧的功用。弹簧的功能有以下几个重要的方面：（1）机械运动的控制；（2）振动和冲击能量的吸收；（3）存储和释放能量；（4）测量力的大小。

3弹簧材料的选择

弹簧材料的选用需要满足很多要求，其中主要的也必须满足的要求有如下几点：（1）强度极限和屈服极限强度高；（2）还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性以及良好的热处理工艺性等。在我们日常的生活中常用到碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢以及铬钒钢等。

在选择材料的时候，我们需要考虑的主要因素有：（1）弹簧的用途；（2）所受的荷载性质与重要程度、大小；（3）周围介质；（4）循环特性；（5）工作温度等使用条件，以及商业经济节省性、热处理和加工等因素。

4弹簧的制造

螺旋弹簧的制造工艺如下：

5弹簧的工作原理阐述

弹簧特性曲线的定义：弹簧载荷与其变形之间关系的曲线。弹簧刚度的定义：是指弹簧产生单位变形时对应的载荷，用k和kT分别表示压（拉）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度 ：

对于受拉弹簧刚度计算

对于扭转弹簧刚度计算

其中，F为弹簧轴向拉（压）力，λ为轴向伸长量或压缩量，T为扭转型弹簧的扭矩，φ为扭转弹簧的扭转角。

究其根本，弹簧刚度实际上就是指弹簧特性曲线上某点的斜率。弹簧按刚度可以划分为定刚度和变刚度的弹簧。

6圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计

弹簧设计的主要任务：选择材料、确定弹簧丝直径、弹簧圈数、变形量、结构尺寸和必要的工作性能计算。

弹簧的强度计算

对于圆形弹簧丝：

弹簧的刚度：

稳定性计算：

临界载荷：Fcr=CBkH0

7疲劳强度验算

疲劳验算有其独特的适用情况，其主要适用于以下情况：循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧。

疲劳强度的验算：

8结语

弹簧的历史可以追溯到古代，最早应用弹簧的例子就是弓箭的发明。古代马车上的弓形弹簧是现代车辆中钢板弹簧的雏型；近代，由于机械、汽车、电器等现代化大工 业生产的需要，促使弹簧生产走上了自动化、大批量生产的道路。而宇航、航空、石油、化工及核技术等工业发展，则对弹簧的生产提出了新的要求。现代冶金科学发展，为弹簧生产提供了优异的弹性材料。机械部门为弹簧生产提供了现代化的生产设备，使弹簧的生产逐步走上了采用新设计、新工艺、新材料的广阔发展道路。

参考文献

[1] 张涛.圆柱螺旋弹簧的参数化设计及分析[D].燕山大学,2012.

[2] 吴克强,于晓红.机械设计[M].高等教育出版社,2003.