彈簧設(shè)計(jì)的任務(wù)是要確定彈簧絲直徑d、工作圈數(shù)n以及其它幾何尺寸，使得能滿足強(qiáng)度約束、剛度約束及穩(wěn)定性約束條件，進(jìn)一步地還要求相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)(如體積、重量、振動穩(wěn)定性等)達(dá)到最好。

    具體設(shè)計(jì)步驟為：先根據(jù)工作條件、要求等，試選彈簧選材、彈簧指數(shù)C。由于sb與d有關(guān)，所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d。接下來計(jì)算d、n的值及相應(yīng)的其它幾何尺寸，如果所得結(jié)果與設(shè)計(jì)條件不符合，以上過程要重復(fù)進(jìn)行。直到求得滿足所有約束條件的解即為本問題的一個可行方案。實(shí)際問題中，可行方案是不唯一的，往往需要從多個可行方案中求得較優(yōu)解。

    例12-1設(shè)計(jì)一圓柱形螺旋壓縮彈簧，簧絲剖面為圓形。已知最小載荷Fmin=200N，最大載荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，彈簧Ⅱ類工作，要求彈簧外徑不超過28mm，端部并緊磨平。

    解：

    試算(一)：

    (1)選擇彈簧材料和許用應(yīng)力。選用C級碳素彈簧鋼絲。

    根據(jù)外徑要求，初選C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。

    (2)計(jì)算彈簧絲直徑d

    由式得K=1.21

    由式得d≥4.1mm

    由此可知，d=3.5mm的初算值不滿足強(qiáng)度約束條件，應(yīng)重新計(jì)算。

    試算(二)：

    (1)選擇彈簧材料同上。為取得較大的I>d值，選C=5.3。

    仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。

    查表1得sb=1520MPa，由表2知[t]=0.41sb=623MPa。

    (2)計(jì)算彈簧絲直徑d

    由式得K=1.29

    由式得d≥3.7mm。

    可知：I>d=4.4mm滿足強(qiáng)度約束條件。

    (3)計(jì)算有效工作圈數(shù)n

    由圖1確定變形量λmax：λmax=16.7mm。

    查表2，G=79000N/mm2，

    由式得n=9.75

    取n=10，考慮兩端各并緊一圈，則總?cè)?shù)n1=n+2=12。至此，得到了一個滿足強(qiáng)度與剛度約束條件的可行方案，但考慮進(jìn)一步減少彈簧外形尺寸與重量，再次進(jìn)行試算。

    試算(三)：

    (1)仍選以上彈簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得sb=1520MPa，[t]=0.41sb=623MPa。

   (2)計(jì)算彈簧絲直徑。得d≥3.91mm。知d=4mm滿足強(qiáng)度條件。

    (3)計(jì)算有效工作圈數(shù)n。由試算(二)知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2

    由式得n=6.11

    取n=6.5圈，仍參考兩端各并緊一圈，n1=n+2=8.5。

    這一計(jì)算結(jié)果即滿足強(qiáng)度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來看，又是一個較優(yōu)的解，可將這個解初步確定下來，以下再計(jì)算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核。

    (4)確定變形量λmax、λmin、λlim和實(shí)際最小載荷Fmin

    彈簧的極限載荷為：

    因?yàn)楣ぷ魅?shù)由6.11改為6.5，故彈簧的變形量和最小載荷也相應(yīng)有所變化。

    由式得：

    λmin=λmax－h(huán)=(17.77-10)mm=7.77mm

    (5)求彈簧的節(jié)距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧絲展開長度L

    在Fmax作用下相鄰兩圈的間距δ≥0.1d=0.4mm，取δ=0.5mm，則無載荷作用下彈簧的節(jié)距為

    p=d+λmax/n+δ1=(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm

    p基本符合在(1/2～1/3)D2的規(guī)定范圍。

    端面并緊磨平的彈簧自由高度為

    取標(biāo)準(zhǔn)值H0=52mm。

    無載荷作用下彈簧的螺旋升角為

    基本滿足γ=5°～9°的范圍。

    彈簧簧絲的展開長度

    (6)穩(wěn)定性計(jì)算

    b=H0/D2=52/24=2.17

    采用兩端固定支座，b=2.17<5.3，故不會失穩(wěn)。

    (7)繪制彈簧特性線和零件工作圖。