圆柱螺旋压缩弹簧的结构设计

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册中》第1422页（3157字）

压缩弹簧的端部结构见表4．13-16。

表4．13-16 圆柱螺旋压缩弹簧端部结构型式及支承圈数 n₂(代号摘自GB／T1239．6-92)

注：① n₂的具体值由设计选定，弹簧材料直径(簧丝直径)大时选小值，反之取大值。

② 两端圈并紧并磨平的结构(YⅠ，RYⅠ型)，端部与弹簧轴线的垂直性好，因而具有较高的工作稳定性。旋绕比在3～10之间时，最好采用此种结构。YⅢ型结构简单，可用于要求不高或受静载的条件下，也可用于弹簧丝较细，旋绕比较大的弹簧。

压缩弹簧的标记如下：

(3级精度不标出，右旋不标出)

例1 YⅠ型弹簧(见表4．13-16)，材料直径d=0．20mm，弹簧中径D=2．50mm，自由高度H0=6mm，左旋，刚度、外径、自由高度精度为2级，材料为碳素弹簧钢丝B组，表面镀锌处理。

标记：压簧YI0．20×2．50×6-2左GB1973．3-89-D-Zn

例2 YⅡ型弹簧，材料直径d=0．40mm，弹簧中径D=2．50mm，自由高度H0=5mm，右旋，刚度、外径、自由高度精度为3级，材料为弹簧用不锈钢丝B组。

标记：压簧YⅡ0．40×2．50×5GB1973．3-

89-S在某些机械部件中，需要调整压缩弹簧的压缩力。调整压缩力的结构型式很多，其典型结构见表4．13-17。

表4．13-17 压缩弹簧压缩力调整的典型结构

压缩弹簧典型工作图的示例如图4．13-5所示。在技术要求中应注明端部结构代号(见表4．13-16，如注：YⅠ型)，制造技术条件可写出具体条件(见表4．13-14、4．13-15)，或写明标准号(见表4．13-13，例如写明“按GB2758-88内燃机气门弹簧技术条件”)。必要时，在技术要求中写出指定载荷F=…下(或高度H=…下)的切应力τ=…及试验载荷F_T=…下的试验应力τ_T=…，图纸中图a)所示图形部分，视需要也可用图b)的画法。

图4．13-5 圆柱螺旋压缩弹簧工作图示例

图样上还应有技术要求和有关参数：弹簧端部型式、总圈数、有效圈数、旋向、表面处理、制造技术条件、展开长度、标题栏、材料，以及其余边倒钝、未注圆角

例4．13-1 拟设计一圆簧丝压缩弹簧。其最大工作载荷F₂=750N，对应变形，弹簧安装载荷F₁=250N。该弹簧套在直径为22mm的杆上，外径不应超过45mm，自由高度要求在140mm以内。该弹簧不经常工作，但较重要，两端磨平，设有弹簧导套。

其设计计算的方法和步骤如下：

1．选材料：由表4．13-2选碳素弹簧钢丝C级，试取材料直径d=5mm，由表2．3-21中选取抗拉强度极限的下限值σ_b=1470MPa。

2．求材料直径：设弹簧中径D=30mm，旋绕比C=D／d=30／5=6，曲度系数。考虑其较重要，由表4．13-5取许用切应力[τ]=0．4σ_t=588MPa，则

3．有效圈数：

4．弹簧刚度：

5．初算试验载荷：

其中，τ_T=0．5σ_b=0．5×1470=735MPa(见表4．13-5)。

6．总圈数：n₁=n+n_z=12+2．5=14．5。端部为YI型(见表4．13-16)。

7．自由高度：

由节距算出H_0m1n=nt_min+2d=115．6mm(取H₀=130mm)。

8．初算试验载荷下变形量：

9．压并高度：H_b=n₁d_max=14．5×d=72．5mm，压并变形量λ_b=H₀-H_t=57．5mm，因λ_T＞λ_b，取λ_T=λ_b=57．5mm，因而试验载荷F_T=k_pλ_T=19×57．5=1092N。

10．校核特性：安装时变形量λ₁=F₁／k_p=250／19=13．2mm。因0．2λ_T≤λ_i、λ₂≤0．8λ_T，故可满足要求。

11．稳定性校核：因有导套，故不必校核。

12．其他参数：

弹簧螺旋角

弹簧材料展开长度

13．工作图：可参照图4．13-5绘制。

例4．13-2 某内燃机气门弹簧，由阀门用油淬火回火铬钒合金钢弹簧钢丝制造，弹簧材料直径d=4．5mm，中径D=32mm，有效圈数n=6，总圈数n₁=8，右旋，端部为YⅠ型，自由高度H₀=63．1mm，气门开启最大时该压缩弹簧所受的载荷F₂=420N，安装时弹簧所受的载荷F₁=200N，气门开启最大次数为14001／min，试校核其疲劳强度和振动性能。

疲劳强度校核：

最小切应力

由表4．13-3查得该材料的强度极限σ_b=1520MPa，则τ_max／σ_b=454／1520=0．30。由图4．13-3得知，r和τ_max／σb的交点在10⁷作用次数线以下，表明该弹簧的疲劳寿命N＞10⁷次。

共振校核：

由于，故可满足要求。