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1、圆柱形螺旋弹簧弹力影响因素研究报告一、 圆柱形螺旋弹簧简介定义：将簧丝绕制成圆柱形螺旋状的弹簧；其簧丝截面为圆形或矩形。圆柱形螺旋弹簧可用作拉伸弹簧、压缩弹簧或扭转弹簧。本文针对压缩弹簧进行介绍。弹簧结构参数如表1.1所示。压簧：线径外（内)径 长度圈数 结构参数表 1.1名称表示字母单位备注材料直径（线径）dmm/inh弹簧钢丝直径中径Dmm外径 mm内径mm节距/pitchtmm绕旋比CC=D/d，510mm易生产自由高度mm工作高度mmi=1,2,3,压并高度mm弹簧最短时展开长度Lmm弹簧拉直的长度螺旋角初拉力g/kg弹簧刚度/弹性系数kN/mm单位变形量的工作负荷自由角度扭转弹簧没有

2、负荷时的角度工作角度有效圈数n二、 公式胡克定律： 弹性系数：弹簧弹力： 注： F弹簧弹力 变形量 G切变模量 其中G与温度有关，在以气体为动力的汽动枪械中，弹簧的工作环境温度在60以下，而在60以下时，弹簧切变模量G的温度修正系数取值为1，故G的大小至于弹簧选用材料有关，可由机械设计手册第二卷查到。三、 分析（1） G由弹簧材料决定，取值参照d在机械设计手册第二卷中选取。在室温条件下切变模量温度修正系数为1，公司产品中弹簧材料多选用琴钢丝和热轧弹簧钢，则前者G取79GPa，后者G取78GPa;虽然随着G的增加，弹簧弹力F线性增大，但考虑到弹簧成本和结构尺寸限制，而且常用弹簧材料中G取79GP

3、a已经最大，故不考虑改变G来实现弹簧弹力的改进。（2） 弹簧有效圈数增加，弹簧弹性系数变小，弹力减小。弹簧有效圈数n的变化直接影响压并高和自由高度，以及最大压缩变形量。在同样的工作高度的条件下，则 ： ，是减小的；反之则，是增加的。（3） 在弹性系数及其他条件不变的情况下，有随着的变大而线性增加。一般产品结构确定的条件下，弹簧压缩行程固定，不通过改变变形量来实现弹力的改变。（4） 次要影响因素D：针对单因素D研究其对F的影响时，有， F随着D的增加，进行递减，影响较大。设计弹簧时，考虑到弹簧安装基准，如以内径为装配基准，在增大线径大小时，中径也要相应增大；如以外径为装配基准，在增大线径大小时，

4、中径要相应减小，这种情况会使弹簧弹力大幅提高。（5） 主要影响因素d：针对单因素d研究其对F的影响时，有，F随着d的增大而增大。增大线径固然能大幅提高弹簧弹力，增大线径同时也增大了压并高，影响圆柱形螺旋弹簧的直径大小，在设计时，必须综合考虑到工作高度，压并高要求以及弹簧内、外径的要求范围。四、 结论(1) 主要因素是线径d，影响关系式：，弹力与线径成正比，四次方关系，影响较大。(2) 次要关系是中径D，影响关系式：，弹力与中径成反比，负三次方关系。(3) 有效线圈数n与F成反比，线性关系，n增加一倍，F减小一倍。(4) 压缩变形量与F成正比，增大一倍，F增大一倍。(5) 切变模量G与弹簧材料有

5、关，与F成正比，与一样。 综上所述，在公司开发的产品中，一般弹簧材料选用的是T9A，考虑加工成本等，一般不通过改变弹簧材料来实现弹簧弹力的改变；由于产品结构一般设计固定后，弹簧工作行程大小也固定，故不通过改变弹簧压缩变形量来实现弹簧弹力的改变；针对主次因素，可以通过增大弹簧线径，减小有效圈数，甚至减小中径大小，来实现弹簧弹力的大幅增大，在增大线径的同时要考虑弹簧装配基准问题，如以内径为基准，则中径随之增大，这对弹簧弹力的增大起反作用；如以外径为基准，则增大线径，中径也随之减小，这将使弹簧弹力得到大幅提高。在减小有效圈数的同时要充分考虑弹簧自由高度，使安装后的弹簧有一定的弹力，不至于安装后出现松

6、动。一般设计增大弹簧弹力，需要综合考虑，通过改变各个因素，既要符合弹簧工作要求，又能最优化的提升弹簧弹力。案例：原弹簧：线径d=1.1mm，自由高度=110mm，总圈数=20，外径=11mm，中径=9.9mm，要求工作高度=23mm，求弹力F：解答：压并高=21*1.1=23.1mm （注：这里压并高比工作高度大是错误的，但是差值小，）变形量=110-23=87mm有效圈数n=18弹簧弹力：改进要求：（1）安装高度80.3mm，（2）工作高度23mm，（3）外径不大于12.3mm，（3）内径不小于9.3mm，（4）载荷增大解答：增大线径比d=1.3mm，由于工作高度为23mm，则压并高必须比2

7、3mm小。由=d 即23=1.3，得出=17；定=9.5mm，则=10.8mm；n=15, =95.433mm则弹簧弹力：提高量按照改进方案加工后的弹簧弹力达到105N，提高注：本文只作压缩弹簧设计参考，针对不足和有误之处，敬请批评指正。（技术部：王光鑫）2012年7月4日星期三二、圆柱形螺旋扭簧设计计算结构参数表2.1名称表示字母单位备注材料直径（线径）dmm/inh弹簧钢丝直径中径Dmm外径 mm内径mm节距/pitchtmm绕旋比C初始角度工作角度i=1,2,3,工作变形角度试验变形角度允许承受最大扭转角展开长度Lmm弹簧拉直的长度扭臂长度mm弹簧刚度/弹性系数kN/mm单位变形量的工作负荷有效圈数n弯曲应力MPa许用弯曲应力MPa工作扭矩TN*mm弹性模量EMPa圆柱螺旋扭转弹簧的基本设计公式有：其中：,当扭矩旋向和弹簧旋向相同时，取。由上式转换得弹簧线径d和有效圈数n公式：