螺旋弹簧的设计计算

编制：校对：审核：螺旋弹簧只能承受垂直载荷，在此载荷作用下钢丝产生扭转应力。螺旋弹簧的主要尺寸是平均直径D，钢丝直径d和工作圈数n。在设计汽车悬架螺旋弹簧时，先根据平顺性的要求确定悬架的偏频（悬架的刚度），再利用公式①计算一侧悬架的刚度C（虚拟弹簧的刚度）：C=（2π∙n）2∙ms2①其中ms是单边簧载质量转换成载荷即为：Fz=ms∙g②对于麦弗逊悬架有：Fs=pb∙Fz③Cs=C∙(pb)弹簧在轴向力Fs（静载荷）的作用下的扭转应力为：τc=8∙Fs∙D∙K‘π∙d3=8∙Fs∙C′∙K′π∙d2④其中，τc是工作应力；D是簧圈平均直径；d是弹簧钢丝直径；C′是旋绕比，C′=D/d；K′是考虑剪力与与簧圈曲率影响的校正系数：K′=4∙C′+24∙C′−3⑤弹簧的刚度Cs为Cs=Fsfcs=G∙d48∙D3∙n=G∙d8∙C′3∙n⑥其中fcs是弹簧的静挠度；G是切变模量，n是弹簧的工作圈数。选好旋绕比C′之后，可以从式⑤计算出K′，则由④可得：d=√8∙Fs∙C′∙K′π∙[τc]⑦D=C′·d其中需用扭转应力[τc]=材料最大应力/安全系数从式⑥可以得到：Fs=G∙d∙fcs8∙C’3∙n⑧最大弹簧力Fsmax为：Fsmax=G∙d∙(fcs+fds)8∙C′3∙n⑨从式⑥可得：n=G∙d8∙C′3∙Cs⑩弹簧的总圈数一般比工作圈数n多1.5～2圈。弹簧受最大压力Fsmax时，相邻圈之间的间隙应该保持在0.5～1.5mm，防止弹簧运动过程中产生并圈的风险。将⑧带入④中得：τc=G∙d∙fcs∙K′π∙D2∙n同理，动载荷下的扭转应力为τc=G∙d∙fds∙K′π∙D2∙n螺旋弹簧的最大应力τm为：τm=τc+τd[τm]在逆向设计中，弹簧的载荷和高度是已知的，需要选用相应的材料，以及合适的弹簧钢丝，可以通过式⑦计算出弹簧的钢丝直径，根据企业标准要求，弹簧要求在极限行程内，以2.5Hz的频率运动，在40万次之内不允许断裂，如果安全系数选的过小，1.1以下，那么基本上是无法保证试验通过的。此外弹簧的疲劳寿命还受到表面硬度的影响，如果弹簧的表面硬度过高，即二次喷丸的工艺控制不够好，会导致弹簧的表面微裂纹随着运动而越来越多，最终导致弹簧断裂。另外，弹簧材料也会影响弹簧的疲劳寿命，如果弹簧钢丝内部杂质过多，带状组织过于严重，就会严重影响弹簧的疲劳寿命，这弹簧设计时也要充分考虑的。对于螺旋弹簧不仅要对个参数进行设计计算，更要对弹簧的耐久性能充分考虑，因为弹簧在使用过程中如果因为耐久性能差造成断裂，那就是致命的缺陷。