壓縮、 拉伸彈簧設(shè)計(jì)的任務(wù)是要確定彈簧絲直徑d、工作圈數(shù)n以及其它幾何尺寸,使得能滿足強(qiáng)度約束、剛度約束及穩(wěn)定性約束條件,進(jìn)一步地還要求相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)(如體積、重量、振動穩(wěn)定性等)達(dá)到最好.
      具體設(shè)計(jì)步驟為:先根據(jù)工作條件、要求等,試選彈簧材料、彈簧指數(shù)C.由于sb與d有關(guān),所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d.接下來計(jì)算d、n的值及相應(yīng)的其它幾何尺寸,如果所得結(jié)果與設(shè)計(jì)條件
      不符合,以上過程要重復(fù)進(jìn)行.直到求得滿足所有約束條件的解即為本問題的一個(gè)可行方案.實(shí)際問題中,可行方案是不唯一的,往往需要從多個(gè)可行方案中求得較優(yōu)解.
      例12-1設(shè)計(jì)一圓柱形螺旋壓縮彈簧,簧絲剖面為圓形.已知最小載荷Fmin=200N,最大載荷Fmax=500N,工作行程h=10mm,彈簧Ⅱ類工作,要求彈簧外徑不超過28mm,端部并緊磨平.
      解:
      試算(一):
      (1)選擇彈簧材料和許用應(yīng)力. 選用C級碳素彈簧鋼絲.
      根據(jù)外徑要求,初選C=7,由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm,由表1查得sb=1570MPa,由表2知:[t]=0.41sb=644MPa.
      (2) 計(jì)算彈簧絲直徑d
      由式 得K=1.21
      由式 得d≥4.1mm
      由此可知,d=3.5mm的初算值不滿足強(qiáng)度約束條件,應(yīng)重新計(jì)算.
      試算(二):
      (1) 選擇拉伸彈簧材料同上.為取得較大的I>d值,選C=5.3.
      仍由C=(D-d)/d,得d=4.4mm.
      查表1得sb=1520MPa,由表2知[t]=0.41sb=623MPa.
      (2) 計(jì)算彈簧絲直徑d
      由式 得K=1.29
      由式 得d≥3.7mm.
      可知:I>d=4.4mm滿足強(qiáng)度約束條件.
      (3) 計(jì)算有效工作圈數(shù)n
      由圖1確定變形量λmax:λmax=16.7mm.
      查表2,G=79000N/mm2,
      由式 得n=9.75
      取n=10,考慮兩端各并緊一圈, 則總?cè)?shù)n1=n+2=12.至此,得到了一個(gè)滿足強(qiáng)度與剛度約束條件的可行方案,但考慮進(jìn)一步減少彈簧外形尺寸與重量,再次進(jìn)行試算.

      試算(三):
      (1)仍選以上彈簧材料,取C=6,求得K=1.253,d=4mm,查表1,得sb=1520MPa,[t]=0.41sb=623MPa.
      (2) 計(jì)算彈簧絲直徑.得d≥3.91mm.知d=4mm滿足強(qiáng)度條件.
      (3)計(jì)算有效工作圈數(shù)n.由試算(二)知,λmax=16.7mm,G=79000N/mm2
      由式 得n=6.11
      取n=6.5圈,仍參考兩端各并緊一圈,n1=n+2=8.5.
      這一計(jì)算結(jié)果即滿足強(qiáng)度與剛度約束條件,從外形尺寸和重量來看,又是一個(gè)較優(yōu)的解,可將這個(gè)解初步確定下來,以下再計(jì)算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核.
      (4) 確定變形量λmax、λmin、λlim和實(shí)際最小載荷Fmin
      彈簧的極限載荷為:
      因?yàn)楣ぷ魅?shù)由6.11改為6.5,故彈簧的變形量和最小載荷也相應(yīng)有所變化.
      由式 得:
      λmin=λmax-h=(17.77-10)mm=7.77mm
      (5) 求彈簧的節(jié)距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧絲展開長度L
      在Fmax作用下相鄰兩圈的間距δ≥0.1d=0.4mm,取δ=0.5mm,則無載荷作用下彈簧的節(jié)距為
      p=d+λmax/n+δ1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm
      p基本符合在(1/2~1/3)D2的規(guī)定范圍.
      端面并緊磨平的彈簧自由高度為
      取標(biāo)準(zhǔn)值H0=52mm.
      無載荷作用下彈簧的螺旋升角為
      基本滿足γ=5°~9°的范圍.
      彈簧簧絲的展開長度
      (6) 拉伸彈簧的穩(wěn)定性計(jì)算
      b=H0/D2=52/24=2.17
      采用兩端固定支座,b=2.17<5.3,故不會失穩(wěn).