恒力弹簧：特性和设计方程式

恒力弹簧：特性和设计方程式
•恒力弹簧是常用的，但是您实际上了解多少呢？
•了解什么是恒力弹簧，它们与标准弹簧有何不同以及它们的用途
•了解如何使用弹簧力方程式来计算弹簧条的总长度
恒力弹簧不同于传统的螺旋缠绕弹簧。

它们是由预张紧，高屈服强度的金属条（通常是不锈钢）制成的，与金属丝相反。

恒力弹簧被归类为“拉伸弹簧”。

盘绕时，金属带以几乎恒定的阻力抵抗开卷。

延伸时，金属的内部应力会以几乎恒定的速率抵抗任何加载力。

一旦弹簧伸长到其直径的1.25倍，就达到了满负荷，并产生了近乎恒定的力。

根据弹簧的大小及其所承受的负载，恒力弹簧的疲劳寿命周期在2500到
1,000,000周期之间。

恒力弹簧的特性
恒力弹簧的结果与受胡克定律约束的弹簧不同（拉伸力与拉伸长度成正比）。

因此，当达到特定的最大负载时，弹簧的力常数不起作用，因为施加了近恒定的力（请参见下图）。

如果要为特定应用选择恒力弹簧，则必须首先考虑多个因素。

材料的选择以及金属带的厚度和宽度都很重要。

所使用的最常见金属是301级不锈钢，因为它制造了始终如一的高质量和坚固的恒力弹簧。

还可以使用其他材料，例如高碳钢，铬镍铁合金等，它们可能更适合需要抵抗高载荷力的弹簧。

要选择或制造正确的弹簧，您必须知道弹簧达到“恒力”阶段所需克服的近似初始力或载荷（即，上图中蓝线的平坦部分）。

初始载荷越高，所需的直径弹簧越大。

另外，弹簧端部的零件需要设计成可固定或附着在将盘绕和松开的部件上。

安装恒力弹簧
要确定恒力弹簧的尺寸，必须遵循某些准则。

•恒力弹簧最初轻轻地缠绕在鼓上
•自由端连接到加载力上（例如平衡应用）
•滚筒的直径需要比自然带材直径大10％到20％
•滚筒上至少应有1.5圈纸带完整延伸
•对于较长的延伸，应引导条带在收卷时停止扭结或扭曲
要计算弹簧条的总长度，可以使用以下公式：
总长度=卷在鼓上的周长+初始挠度+最大工作挠度
=（ID xπx 1.5）+ I f + W f
对于遵守胡克定律的标准弹簧，可以使用一个简单的扭力弹簧计算器来计算弹簧常数，从而调整长度和加载力以适合应用。

它可以用于在特定载荷下不能达到近恒定力的任何扭转，拉伸或压缩弹簧。

由于恒力弹簧不遵守胡克定律，因此无法应用比例关系，因此必须改用以下方程式：
对于N≤10
P = Ebt 3 /6.5D D 2
对于N> 10
P = Ebt 3 /6.5D 1（2 / D n -1 / D 1）
S = Et / D n
哪里：
P =负载（N，lbs）
E =弹性模量（Pa，psi）
D 1 =外部线圈直径（毫米，英寸）
D D =鼓直径（毫米，英寸）
D n =自然直径（毫米，英寸）
b =弹簧宽度（毫米，英寸）
t =厚度（毫米，英寸）
N =线圈匝数
S =压力Mpa（psi）
对于典型设计，比率b / t = 100，比率DD / Dn = 1.2。

恒力弹簧的应用
恒力弹簧非常适合需要平稳复位，平衡和张紧或重新加载的应用。

该视频重点介绍了利用这些功能的一些应用程序。

恒力弹簧通常用于汽车工程，航空航天工程，医疗和零售。

一些常见的应用程序是：
•电缆卷收器
•电动马达
•航天器
•健身器材
•闭门器
•软管检索器
•MRI扫描仪
•X光机
•销售点展示
•玩具
•家具零件
•伸缩卷尺或狗头
•伸缩式吸尘器线
恒力弹簧的局限性
外部因素可能会限制恒力弹簧的使用寿命。

例如，碎屑或微粒会阻塞系统，从而减慢或阻止盘绕和开卷。

如果弹簧机构对元件敞开或与腐蚀性流体定期接触，则会发生腐蚀，从而损害弹簧的运动。

极端温度也会影响弹簧的运行。

这在航空航天工程中可能特别令人关注。