螺旋弹簧的设计计算

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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

∙m s

2

①

其中m s 是单边簧载质量转换成载荷即为：

F z=m s∙g②对于麦弗逊悬架有：

F s=p

b

∙F z③

C s=C∙(p

b

)

弹簧在轴向力F s（静载荷）的作用下的扭转应力为：

τc=8∙F s∙D∙K‘

π∙d3= 8∙F s∙C

′∙K′

π∙d2

④

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′+2

4∙C′−3

⑤

弹簧的刚度C s为

C s=F s

f cs =G∙d4

8∙D3∙n

=G∙d

8∙C′3∙n

⑥

其中f cs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∙F s∙C ′∙K′

π∙[τc]

⑦

D=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：

F s=G∙d∙f cs

8∙C’3∙n

⑧

最大弹簧力F smax为：

F smax=G∙d∙(f cs+f ds)

8∙C′3∙n

⑨

从式⑥可得：

n=G∙d

8∙C′3∙C s

⑩

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F smax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∙f cs∙K′

π∙D2∙n

同理，动载荷下的扭转应力为

τc=G∙d∙f ds∙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。