扭转弹簧的设计计算方法

陕西凌云电器集团有限公司 孙 飞



扭转弹簧的设计计算方法

陕西凌云电器集团有限公司 孙 飞

【摘要】本文以某型机载设备天线中的扭转弹簧设计为例，按照弹簧工作方式进行理论计算，提出了设计合用可靠的弹簧零件的方法，从而使设备和天线得以在空间非常紧张航空器吊舱内安装，并且保证使用要求。

【关键词】弹簧；机构；设计计算

引言

航空无线电电子设备空间相对紧凑，而机构往往又需要占据相对较大的空间，因此对机构的精确设计计算既能够既满足使用要求又可使之得以精简。传统的设计方式往往是根据经验，通过类比或应用简单有限的经验公式进行设计计算。为了保证回弹力矩、疲劳强度等要求，往往留有过大的余量。这样的设计虽也能满足要求，但其结果常常是设备臃肿，系统庞大，或是弹簧在多次压缩和释放后达到疲劳强度极限。而后更改设计和再次试验，直到满足要求，需要多次反复。

本文通过介绍一种扭转弹簧的设计计算方法，为设计者提供设计依据和参考，在压缩弹簧或拉伸弹簧等弹簧机构的设计计算中，亦可参考。

1　弹簧工作情况

某天线为半波偶极子全向天线，装机时需要竖直安装于无人机机头部位，而无人机装于无人机吊舱内。吊舱空间有限，无法竖直安装天线，因此设计弹簧机构。无人机在吊舱内放置时天线折下节约空间，释放飞行后，天线自动弹起到工作的竖直位置。

根据弹簧机构夹持的几何尺寸关系，需要设计的弹簧有2种工作状态：

1）装入吊舱时，弹簧由自由状态的轮廓角120°压缩至29°，此时扭转弹簧的扭转角为91°，即最大变形角为91°（120°-29°）。

2）脱离吊舱后，天线处于竖直向上状态，扭转弹簧的扭转角减小，减小量为61°（90°-29°），对应最小扭转变形角为30°（120°-90°）。

除了这两种工作状态以外，还需考虑弹簧的极限破坏情况，也就是当扭矩增大到一定程度时，弹簧到达许用弯曲应力极限从而导致损坏。

天线的工作情况如图1所示。

图1　天线弹簧工作示意图

2　弹簧设计及计算

2.1弹簧材料

根据使用情况，弹簧材料选用GB4375-1989规定的70#碳素弹簧钢丝。它分为B、C、D三级，由于此天线的重量很轻（约0.3kg），故选取B级，用于制作低应力弹簧。

2.2材料性能

1）GB4375-1989规定的碳素弹簧钢丝的性能与簧丝直接相关，根据结构设计要求，选取使用直径d=0.8mm的簧丝，它的参数如下：单位MPa（1N/mm2）

d=0.8mm 1710～2060 取均值1885

注：*要求钢丝表面光滑、不得有裂纹、折叠、起刺、锈蚀等其他有害缺陷；

**要求对直径小于等于6mm的钢丝应进行扭转试验。直径小于等于2mm，B、C级扭转次数不小于20次。在规定扭转次数内扭转后，表面不得有肉眼可见的裂纹和分层。

a）弹簧的负荷

弹簧的负荷分为三类：

Ⅰ类受变负荷作用，次数在100000次以上，

Ⅱ类受变负荷作用，次数在1000～100000次，或冲击负荷，

Ⅲ类受变负荷作用，次数在1000次以下，

考虑本弹簧实际工作情况，它的载荷性质属于Ⅲ类。

3）剪切弹性模量G

当0.5≤d≤4 G=81.5～78.5 GPa

4）弹性模量E

当0.5≤d≤4 E=204～202 取 203 GPa 5）制成弹簧推荐使用温度 -40～120℃

2.3相关计算与选择

考虑整个天线的结构设计工作，我们设计出弹簧的有效圈数，选取合适的弹簧中径和簧丝直径后，必须计算弹簧在2个工作位置和到达极限应力位置时所受到的扭矩。通过计算校核保证弹簧的受力情况在允许的应力范围内，从而满足使用要求又安全可靠。

项目 单位 公式及数据

弹簧中径D mm 6

簧丝直径d mm 0.8

旋转比C C=D/d=7.5

根据此计算结果，可选取弹簧有效圈数n=6圈。

17.75在6.7～33.5取值范围内，说明天线在工作状态（竖直）下，弹簧扭转角度为30°时在最小工作扭矩合理要求之内。

校核三个工作点处斜率 116.65/68.94=1.692

91/53.85=1.690

30/17.75=1.690

三个工作点基本一致，线性度较好。

簧丝间距 取δ=01mm

图2　弹簧工作图

3　弹簧的稳定性、疲劳强度及共振计算

本弹簧属于Ⅲ类载荷弹簧，设计时各参数满足弹簧工作线性关系，弹簧始终工作在许用应力范围内，故不必进行疲劳强度及共振计算。其细长比，故不必验证稳定性。

4　结果分析

至此，弹簧设计校核结束，弹簧工作图如图2所示。

本弹簧为冷卷直臂扭转弹簧，最终弹簧零件见图3。

弹簧材料 70#碳素弹簧钢丝 B级

外形尺寸 外径φ=6mm

簧丝直径 d=0.8mm

扭转范围 0～120°，最小变形角30°，最大变形角91°

图3　弹簧零件图

5　结束语

本文针对某天线的安装问题，提出了一种弹簧机构的设计计算及强度校核方法，实现了在空间不足时设备在吊舱内的安装。目前航空无线电电子设备正在向集成化、模块化的方向高速发展，在有限的设备空间内恰当的使用机构设计能够有效提高安装空间。经过实践，用此方法设计校核的弹簧机构工作稳定可靠，在设计中具有较强的指导意义。