蜗卷螺旋弹簧负荷的测试与数据分析

孙志刚 廖志鹏/中国第一重型机械股份公司

蜗卷螺旋弹簧负荷的测试与数据分析

孙志刚 廖志鹏/中国第一重型机械股份公司

本文对蜗卷螺旋弹簧的负荷参数进行了数据分析，校正了原工艺图纸，稳定了设计和工艺。

蜗卷螺旋弹簧；负荷；数据分析

蜗卷螺旋弹簧（如图1所示）能够承受较大的载荷，吸收较大的变形能，且结构紧凑，在某些重型机械上因工作载荷变化范围大，震动冲击较强，安装空间又受到限制的减震装置上大都选用这种弹簧。但这种弹簧的制造工艺较为复杂，成本高，且由于弹簧圈之间的间隙小，热处理比较困难，也不能进行喷丸处理，给设计和制造带来一定的困难。

图 1

九九年以来我分厂陆续接到几匹这种弹簧。此批弹簧的原图纸在力的负荷范围上有一定的出入。即实际测出的力与原设计要求相差甚多。给我们带来了一定的困难，为此，我们对这种蜗卷螺旋弹簧进行了数据分析，校正了原来图纸，稳定了设计、工艺和制造工序。

1.现把设计验算过程简要叙述如下：

1.1.原已知参数

自由高度：H0=180mm 有效圈数：n=4.5圈

小圆半径：R1=14.5mm 大圆半径：R2=38.5mm

坯料长：L=1000mm宽：b=70mm厚：a=3mm

B.原图纸负荷简图：

C.坯料尺寸：

1.2.

验算其负荷大小：

这种弹簧在受到载荷以后，特性线OA段是直线，（如图2）当载荷逐渐增大时，弹簧从大圈开始逐渐接触，有效工作圈数随之减少，而刚度则逐渐增大，一直到所有的弹簧圈完全压并为止。AB段为渐增型。这种弹簧的刚度是变值的。

由于我们接触到的知识等螺旋角的蜗卷螺旋弹簧，所以这里只讨论截面是矩形的等螺旋角弹簧设计原则。

图2

等螺旋角弹簧材料中心线的展开线为直线，在XY底平面的投影为对数螺旋线。此螺旋线方程为：

由于此式比较为复杂，在使用中常将等节距弹簧圈i的半径计算式用于等螺旋角的弹簧圈i的半径计算式。即

开始有弹簧圈接触以前的变形计算，由于蜗卷螺旋弹簧螺旋角α比较小，则各弹簧圈材料截面只受到如下扭矩：

而按能量法则，可得弹簧在弯矩作用下的变形公式（2）

ID-弹簧材料截面极惯性矩

Ib-弹簧材料截面绕⇀轴回转的惯性矩

In-弹簧材料截面绕轴回转的惯性

将此式代入（3）式，并改取积分限由R1到：R2

从大端数起到弹簧圈i的自由高度

2.确定具体参数

以上推导了此螺旋蜗卷弹簧的理论公式。现应用到具体的校核之中，把本文开头的已知参数代入以上公式：

而弹簧圈i接触时所受到的载荷

弹簧圈i的半径由（1）式可得

从大端数起到弹簧圈i的自由高度

根据以上数据或公式，可得出下表

按等螺旋角设计的弹簧特征参数

据此表可做出下面特性曲线

从图表中可以看出，当i?0时，即刚刚开始并圈时，变形量F=62mm所需载荷，

485.7kgf而以后呈非线性特征。

那么有前（6）式可算出其刚度P’?7.73

由此可以算出在变形量F?62mm以内，完全可以按照普通弹簧来进行计算。

即

三、结语

经过对蜗卷螺旋弹簧进行数据分析，我们确定了其具体的负荷参数，从而稳定了设计和工艺。所产生出的弹簧经检验各项指标均达到了设计要求。送交用户使用后，用户十分满意。