弹簧经验设计方法：
在设计弹簧时，除了选取标准弹簧，但往往有很多是非标的；或拿人家设计的来用，但也得验算弹簧刚度和工作力。如果完全按《机械设计手册》计算，则复杂繁琐。下面是结合工作实践，进行归纳后的螺旋压缩/拉伸弹簧的简易计算方法。
圆线螺旋弹簧的简易计算方法：
序号 |
项目 |
内容 |
说明 |
1 |
材料 |
碳素弹簧钢丝C级力学
参数：G=80*10^3Mpa；
τp＝800Mpa |
用于中等应力弹簧，材料在钢厂经冷拔强化处理，加工后只需低温回火 |
2 |
中径 |
由零件空间相关尺寸或结构决定 |
弹簧内/外径离零件表面要有一定空隙；建议≥1 |
3 |
线径 |
根据旋绕比C(热绕4～10；冷卷4～14)，计算簧丝直径：d=D/C，选取标准直径簧丝 |
一般是冷卷绕制；超出推荐值后绕制困难 |
4 |
单圈刚度 |
Pd′=G*d^4/(8*D^3)*10^3，
单位：N/mm |
材料确定后，单圈刚度只与D、d有关。 G：78.5～80*10^3Mpa，d＞4，取78.5；d＜4，取80,简化直接取80 |
5 |
总刚度 |
Pd＝Pd′／n |
按估算刚度，对D、d适当调整；或微调n，使Pd 接近估算刚度 |
6 |
工作力 |
压缩量*总刚度；单位：N |
工作弹簧力一般在(20％～80％)Pj范围 |
7 |
极限力 |
Pj=3.14*d^3/(8*K*D)*τp；
单位：N
K=(4C-1)/(4C-4)+0.615/C |
τp＝0.5*δb，δb玉柴技术标准手册114页； 或780～850Mpa，d＞3，取780；d＜3，取850； 或简化直接取810Mpa； 注：拉伸弹簧取80％Pj |
8 |
节距 |
t≈D/3～D/2 |
按自由长度算出 |
9 |
有效圈数 |
按标准选取 |
|
10 |
自由高度 |
n*t+1.5*d，进行圆整 |
端部并紧磨平，支承圈为1圈 |
主要从《机械设计手册第2卷11章》和《弹簧设计手册》总结归纳
例1：
某夹具的M20螺杆外面套一个压缩弹簧，夹紧后高度80毫米，压缩约15～20毫米；压板重量4Kgf，设计该压缩弹簧。
一、估算自由高度和刚度：
夹紧后，弹簧压缩约17毫米，弹力约5Kgf(必须大于4Kgf)；弹簧自由高度80+(15～20)毫米；弹簧刚度=载荷/压缩量=5/17*10＝2.94N/mm；
二、计算：
1、选碳素弹簧钢丝-C，中径φ24；C取9.5；d＝24/9.5＝2.53；选φ2.5簧丝；
2、计算单圈刚度Pd'＝80*2.5^4/(8*24^3)*10^3＝28.26N/mm；
3、考虑前面的估算刚度(2.94），取圈数n＝10，弹簧刚度Pd＝28.26／10＝2.83N/mm；
4、考虑前面的估算自由高度：95～100，取100，则t＝(100-1.5*2.5)/10＝9.625；
三、验算：
1、载荷：压缩20毫米，F＝2.83*20＝56.6N=5.66kgf＞4kgf；
2、极限力：Pj=3.14*d^3/(8*K*D)*τp＝3.14*2.5^3/(8*1.15*24)*850＝188.87N
例2：
现有一压缩弹簧，簧丝直径φ2，有效圈数4，中径φ25.5，工作行程7.5，需承重3.2Kgf，进行验算是否能达承重要求
1、计算单圈刚度：Pd'=G*d^4/(8*D^3)*10^3＝80*2^4/(8*25.5^3)*10^3＝9.65N/mm；
2、计算承重量：F＝9.65/4*7.5＝18N=18/10=1.8kgf,小于要求的3.2kgf，需要重算；
改簧丝直径为φ2.5；
3、计算单圈刚度：Pd'＝80*2.5^4/(8*25.5^3)*10^3=23.6N/mm；
4、计算承重量：F＝23.6/4*7.5＝44N；44N=4.4kgf＞3.2Kgf；
结论，改成φ2.5满足要求；
技巧：
1、根据工作条件，对总刚度和自由高度进行简单估算；
2、簧丝直径是标准的，但弹簧中径可以非标；因此对D、d灵活选取；
3、单圈刚度算出后，总刚度只与n有关，适当调整n以合适总刚度；
4、确定n后，对节距t作适当调整(当然自由高度也相应变化)，以满足工作状况；
结论：主要用三个公式
线径：d=D/C；
单圈刚度Pd'=G*d^4/(8*D^3)*10^3；
极限弹力：Pj=3.14*d^3/(8*K*D)*τp |
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