涡巻弹簧(压缩弹簧的类型及计算)

Posted 2023-06-01

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涡巻弹簧(压缩弹簧的类型及计算)

• 压缩弹簧在被压缩时储存机械能，在去除负荷时释放机械能。虽然压缩弹簧一般由弹簧钢制成，但也可能含有碳、镁、镍、铬、锡、铜、钨和铝。

• 不同的材料为压缩弹簧创造了不同程度的弹性和能量储存能力。

• 罗伯特-胡克早在1676年就提出了一个公式来计算弹簧所施加的力，这个力与它的伸展度成正比。

压缩弹簧是专门设计用来感应轴向压缩载荷的机械装置。它们通常也可以伸展以及旋转到一个点。一般来说，压缩弹簧在受到压缩载荷时可以储存机械能。一旦载荷被移除，它们将恢复到原来的形状和大小--经历弹性变形。

这种独特的储存势能的能力，加上其相对简单和便宜，使压缩弹簧在非常广泛的应用中具有宝贵的价值。从机械键盘按钮、床垫和圆珠笔，到枪支和汽车悬挂减震器。自15世纪以来，我们一直在使用压缩弹簧，当时第一个压缩弹簧被用于钟表装置。

压缩弹簧的类型

压缩弹簧可以有许多不同的几何形状。最常见的是线圈或螺旋形弹簧。这种形状比其他形状更受欢迎，因为它允许无缝的高压缩和膨胀到一个点。它也更轻，因为使用更少的材料来满足吸收压缩负荷的需要。最后，螺旋弹簧的形状使这种类型具有相对较大的弹簧常数（后面会详细介绍）。

这个类别又被进一步划分为小类，包括：

	锥形螺旋弹簧 --提供了一种替代性的、更平稳的抗压性。
	筒状弹簧 --对压缩负荷提供非线性阻力，同时也提供进一步的稳定性。钉子中的扭转弹簧也是螺旋形的，不是压缩弹簧。
	涡卷弹簧 -- 由多个分层线圈组成，在压缩时相互滑动。这种类型的弹簧适用于对元件施加巨大压缩载荷的应用。或者当弹簧被压缩到最大点时需要相当小的尺寸。涡卷弹簧的应用实例包括油箱悬挂装置和园艺用剪子。
	弹匣弹簧 -- 主要用于需要压缩吸收元件的枪械，以适应某些不可能总是圆形或圆柱形的空间。这些专用弹簧的线圈可以是矩形或椭圆形的。而它们的末端通常有一个形成，可以用销钉固定。
	嵌套弹簧 -- 嵌套弹簧是指在一个较大的弹簧内装有一个或多个弹簧。嵌套弹簧使设计师能够在有限的空间内获得更多的承重材料。因此，嵌套弹簧可以支持比单个弹簧所能承受的更大的负荷。

压缩弹簧的材料

压缩弹簧通常由弹簧钢制成，这是一类具有高屈服强度的钢。这使得它们可以在变形到极点的情况下仍然保持其原有的形状、尺寸和形态。因此，这些钢在受力时有很大的弹性变形空间。这是发生在分子水平上的事情，所以这些钢的成分对其弹性有很大影响。

一般来说，弹簧钢含有碳和锰，也可能含有镍、铬、钼、锡、钒、铜、铁、钨和铝。弹簧钢由ASTM官方根据其屈服强度和硬度进行分类，因此，不同的材料组成可以适用于不同的应用。例如，ASTM A228用于钢琴弦，含有0.7%-1%的碳和0.2%-0.6%的锰，其最大屈服强度为530兆帕，拉伸强度为400兆帕。

压缩弹簧的特性

在本节中，我将重点介绍开卷螺旋弹簧，因为这些弹簧是最广泛使用的压缩弹簧。这些弹簧有一定的特性，对其性能有很大的意义。外径（D）是指从顶部看弹簧形成的圆柱体的直径。线圈直径是指弹簧线的厚度（d），也是圆柱形的。自由长度（L），是指没有受到任何压缩时的弹簧总长度，有效螺旋（na）和总螺旋（n）分别是储存和释放机械能的线圈数量和总线圈数（至少有两个是专门用于弹簧的末端/底座）。另一个重要的形态属性是旋转的方向，可以是左边或右边。

弹簧施加的力与它的伸展度成正比，这一定律是由罗伯特-胡克在1676年提出的，在第一个弹簧开始应用后的短短几年内。胡克向世界介绍了这个公式。"F = -kx"，其中F是弹簧力，x是拉伸距离，k是弹簧常数，每个弹簧都不同，由制造商通过实验确定，或者由用户通过公式确定。"k = Gd4/[83dna]"。如前所述，桶形和锥形线圈是非线性弹簧，所以胡克定律对它们不适用。胡克定律不适用于已经变形或超出一般弹性极限的弹簧。

完全压缩的弹簧的力

为了计算出完全压缩弹簧的力，我们可以使用这个公式。Fmax = Ed4(L-nd)/[16(1+ν)（D-d）3n]。E是杨氏模量，d是钢丝直径，L是自由长度，n是有效螺旋线/线圈的数量，ν是泊松比，D是外径。很明显，其中一些是由设计者选择的钢材决定的，而其他的则是由弹簧的形式、形状和尺寸决定的。

设计考虑因素

当设计一个压缩弹簧时，首先要决定你要使用什么材料。然后从数据表中找到剪切模量（G）和抗拉强度（TS）。这两个因素对于确定应力的百分比非常重要，例如，在计算负荷要求时（100*σ/抗拉强度），计算出在诱发一定的负荷时弹簧被压缩的程度。

另一个重要的考虑因素是弹簧压缩到最大点时的直径。螺旋压缩弹簧在压缩时有增加直径的趋势。所以用公式 "膨胀=sq[(D-d)2+(p2-d2/π2)+d]-D"来计算这个膨胀很重要。

弹簧的指数很重要，设计者试图保持在4到10的范围内。它的计算方法是 "C = (D-d/d)"，它提供了一个很好的概念，即钢丝厚度与弹簧直径的比例。这将决定弹簧的整体强度（越小越强，但越大越容易被压缩）。

最后，线圈和有效线圈的数量是由弹簧末端的类型决定的。因此，如果两边都必须坐在一个基础平台上，总线圈必须比有效线圈多两个（每端一个）。现在，每英寸的线圈必须等于1/p，其中p是弹簧的选定间距，但你也可以反过来做。所以，知道了以英寸为单位的自由长度，我们就可以计算出线圈的数量为 "na = L/p"。