模具设计弹簧的计算

压力弹簧的设计数据，除弹簧尺寸外，更需要计算出最大负荷及变位尺寸的负荷；

· 弹簧常数：以k表示，当弹簧被压缩时，每增加1mm距离的负荷(kgf/mm)；

· 弹簧常数公式（单位：kgf/mm）：

G=线材的钢性模数：琴钢丝G=8000 ；

不锈钢丝G=7300 ，

磷青铜线G=4500 ，

黄铜线G=3500

d=线径

Do=OD=外径

Di=ID=内径

Dm=MD=中径=Do-d

N=总圈数

Nc=有效圈数=N-2

弹簧常数计算范例:

线径=2.0mm , 外径=22mm , 总圈数=5.5圈 ,钢丝材质=琴钢丝

知道原长，再算弹性系数，考虑其设计圈数，都放入公式， 60SI2MNA的刚度可查，一般就可以算定我们要用多粗的线做，再考虑生产，是否好加工，通过改外径，线径，圈数，协调到自己最需要的数值，一般情况下，外径不能变，只改线径，和圈数。所以说，同样要求的可以做几种弹簧来达到所需。要想真的明白咋算出来的，那你高等数学要有一定的基础

我们都知道压缩弹簧就是承受压力的螺旋弹簧，它一般用料的截面基本都是圆形。压缩弹簧一直广泛用于我们的生活，不管是一些大型的设备或者小型的设备，都基本用上了压缩弹簧。那么知道一些关于压缩弹簧计算的知识，是不是对于我们的生活有着许多的便利了。因为圆形弹簧使用较多，所以就简单为大家介绍一下关于圆形压缩弹簧计算的知识。下面和小兔一起去学习一下吧。

圆柱螺旋弹簧根据工作时受力不同又可分为:压缩弹簧,拉伸弹簧和扭转弹簧。此次扫盲我们只介绍圆柱螺旋弹簧。

　　圆柱螺旋压缩弹簧各部分名称及尺寸关系

此图为圆柱螺旋压缩弹簧各部分尺寸,图中尺寸的意义如下

1. 簧丝直径d 弹簧的钢丝直径(俗称线径或线径)

2. 弹簧外径D 弹簧的最大直径(俗称大径,也有的公司用OD来表示外径,知道就好,不要学这种坏习惯) 3. 弹簧内径D1弹簧的最小直径(俗称小径,也有的公司用ID来表示内径,知道就好,不要学这种坏习惯)

4. 弹簧中径D2弹簧的平均直径(俗称中心径,也有的公司用Dcen来表示外径,知道就好,不要学这种坏习惯) 5. 节距t 除两端支撑圈外,弹簧上相邻两圈在相对应两之间的轴向距离 6. 弹簧圈数 弹簧圈数共有三种,即有效圈数n,支撑圈n2,和总圈数n1. 7. 自由高度H0 弹簧在不受外力时的高度(或长度)，H0=nt+(n2-0.5)d

当然弹簧的参数远远不只这些，像一些疲劳特性计算,有效寿命的计算, 载荷与变形屈服曲线,弹簧刚度有限元分析等,在扫盲班中就不做解释了,放在后面提高班中再介绍。

接下来简单介绍一下弹簧的加工艺:

我们常用碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、镍合金和橡胶等材料来制作弹簧。弹簧的制造方法有冷卷法和热卷法。弹簧丝直径小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用热卷法。有些弹簧在制成后还要进行强压或喷丸处理，可提高弹簧的承载能力。

我们回到正题,讨论一下此次扫盲题的分析及计算: 首先我们要搞清楚弹簧的刚度计算公式~ 弹簧刚度值我们用K来表示,单位是N/mm2

K=G*d^4/8*d2^3*n 其中G是指材料的切变模量(俗称弹性系数),此数据一般可通过查表获得,也可以要求供应厂商提供材料物性表获得.常见的像SUS631,SUS316,SUS304,SUS302等为70000N/mm2 弹簧刚,65Mn等等约为80000N/mm2~

求得K值后后，我们还需获得弹簧的作用长度L值，此长度由我们设计者来设计确定。

作用长度指弹簧的预压长度+作用行程长度之和 如一个弹簧由10压缩至6,那么它的作用长度则为4.如果还有预压高度，也要一并算入作用长度。 最后弹簧作用力P值为：P=K*L

具体的计算过程小兔就不多讲了，毕竟大家都不是小学生了， 而所有制造压缩弹簧中，只要没有严格的标准，只要是符舍设计要求的制造都是可行的。我们可以随意改变弹簧线径，有效圈数，自由高度，内径等参数来调整弹簧作用力。但是对于一些严格要求的设备就不行了。 好了，所有的介绍就到这里了，希望可以帮助大家，让大家收获一份知识。

图5-8所示为卡瓦座受弹簧力在斜面上移动卡瓦时卡瓦的受力分析图。

图5-8中G为卡盘上最大轴向载荷即给进机构最大提升力；N为卡瓦对钻杆的夹紧力；f′为卡瓦与钻杆间的摩擦系数，考虑卡瓦齿嵌入钻杆中，所以设计一般取f′＝0.5；P为卡瓦座对卡瓦的正压力；Pf为卡瓦座与卡瓦间的摩擦力；f为斜面间摩擦系数，钢对钢f＝0.15；φ为斜面间摩擦角，tgφ＝f，当f＝0.15时，φ＝8°32′；R为P与Pf的合力；α为卡瓦座T形槽斜面角；F为弹簧的轴向推力

1.卡盘承受最大提升力G

则

液压动力头岩心钻机设计与使用

2.弹簧的轴向推力

为确定弹簧力F与提升力G之间的关系，建立xy两坐标方向的平衡方程式：

∑x＝0 Rcos（α＋φ）-N＝0移项得：

液压动力头岩心钻机设计与使用

上两式整理得：F＝Ntan（α＋φ）

液压动力头岩心钻机设计与使用

液压动力头岩心钻机设计与使用

图5-8 卡盘受力分析

考虑应有一定储备系数（安全系数）k，则上式改写为：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中k值一般取1.25～1.6。

从式中看出，α值愈小，增力作用愈大，但使卡瓦产生一定的径向位移所需的轴向行程必然加长。从而导致卡盘轴向尺寸增加。当然，α过大，增力作用就不明显了。

设卡瓦径向位移量为Δx，而卡瓦轴向位移量为Δy见图5-9。从图中可知，弹簧压缩量Δy与卡瓦径向位移量Δx的比值为定值，其数值大小取决于α角，当卡瓦径向位移量一定时，α角越小，所需卡瓦座位移量越大，即弹簧压缩量越大。

卡瓦斜面角是这种机构最主要的设计参数。在卡盘基本参数（夹持能力、夹持范围）一定时，减小α角可相应减小所需的弹簧力F，但卡瓦的移动量加大，从而使卡盘轴向尺寸加大，故一般取α＝6°～9°。

为了减小斜面间的摩擦系数，有的钻机卡盘在卡瓦与卡瓦座之间加了滚柱，变滑动摩擦为滚动摩擦，有的钻机在斜面处采用了油脂润滑，设置了加油孔。

图5-9 斜面位移关系

3.碟形弹簧参数的确定

在卡盘中，单片碟形弹簧一般不能满足要求，需要采用组合弹簧。主要有两种组合方式，即对合与叠合的组合方式，而钻机卡盘均应用对合组合弹簧（图5-10）。

图5-10 对合碟形弹簧

此种弹簧设计计算，主要根据载荷及变形量要求，选择单片弹簧的规格和弹簧片数，其设计步骤如下。

1）已知条件

（1）根据钻机应用钻杆使用范围确定主轴通孔直径即可知碟簧内径d的尺寸。

（2）根据给进液压缸的提升力即可知组合碟形弹簧的载荷Pz。

（3）采用斜面增力机构，根据所需的径向位移量Δx为1～2mm，可初步确定夹紧时的工作载荷P1时的轴向变形量f1和松开卡盘时工作载荷P2时的轴向变形量fz。

2）设计说明

由i个相同规格的一组碟簧

Pz＝P

fz＝if

Hz＝iH0

式中：P、f、H0为单片碟簧的载荷、变形量和高度；Pz、fz、Hz为组合碟簧的载荷、变形量和自由高度。

3）c值的选择

，碟形弹簧单位体的做功能力与c值有关，一般在 时为最大，因此设计储能的碟形弹簧时，可取c＝1.7-2.5，为制造方便，一般取c＝2.0。c值对弹簧特性曲线也有很大影响，c值愈大，弹簧刚度愈小，但c＞3时，c值的改变对特性几乎没有影响。c值过小时将使制造困难，一般不小于1.25。

考虑卡盘具体结构和上述选择c值的范围，定出c值与前述确定的碟形弹簧内径d，即可求出碟形弹簧外径D。

4）求碟形弹簧的厚度

当单片碟簧的变形量f等于碟簧压平时变形量h0时，压平弹簧时载荷Pc（N）。

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：E为弹性模量，MPa；μ为泊松比；t为碟簧厚度，mm；h0为碟形弹簧压平时变形量的计算值，mm；D为碟形弹簧外径，mm；K1、K4为计算系数，可根据机械手册查取。

5）确定弹簧片数i

当松开卡瓦时，弹簧被进一步压缩。为了使弹簧有一定的使用寿命，松开卡瓦时的轴向力P2不应超过Pc，弹簧的变形量fz相应也不应超过最大工作载荷的变形量h0。为了限位，即限制碟簧不超过最大变形量h0，应在对合碟簧间加一垫圈。

6）确定碟簧尺寸

给出组合弹簧的几何尺寸，包括组合弹簧自由高度Hz，夹紧状态下（工作载荷P1）的高度H1，以及松开时的高度Hz。

7）进行碟簧强度及刚度验算，以确保弹簧工作的可靠性。

1、需要已知条件：弹簧工作状态F的力度P、配装尺寸限制、工作频率、疲劳要求、耐蚀性.2、一般力度计算公式：P=P'*F+P0(P拉力、P'刚度、P0初拉力）P'=Gd^4/8/D^3/n(G材料弹性模量、d材料直径、D弹簧中径、n有效圈数)G=78500（碳素钢丝）、G=71600(不锈钢丝)、G=81000(琴钢丝）力度单位：N，尺寸单位：mm3、高疲劳要求的，还需疲劳强度校核计算.详细请参考GBT1239.6-1992或GBT23935-2009圆柱螺旋弹簧设计计算.

弹簧的最大工作负荷Pn和最小工作负荷P1，是设计弹簧前的所设定条件，也就是弹簧所处的工作条件，是已知条件，不是靠什么公式计算的。比如你要给弹簧加上300N的压力，那么它最大的工作负荷Pn=300N。弹簧最大的工作行程（h）=弹簧最大负荷下的变形量（Fn） - 弹簧最小负荷下的变形量（F1），曲度系数K=0.615/C（C 为旋绕比，可查相应的规范） ；Fn=n*Pn*D^3 /(0.125*G*d^4) F1=n*P1*D^3 /(0.125*G*d^4) 其中n为有效圈数，G为切变模量（这里取G=78000N/mm^2 ） D弹簧中径mm d为弹簧丝直径mm

各种类型弹簧有效圈数的详细计算方法:

有效圈数是指弹簧能保持相同节距的圈数。弹簧有效圈数=总圈数-支撑圈，具体根据结构进行计算。

1、对于拉伸弹簧，有效圈数n＝总圈数n1，当n>20时圆整为整数圈，当n<20时圆整为半圈。

2、对于压缩弹簧，有效圈数n=总圈数n1-支撑圈数n2，n2可查表获得。尾数应为1/4、1/2、3/4、或整圈。

我们的通俗算法是压簧总圈数减掉上下接受接触不会产生变形的圈数,一般减2圈扭簧和拉簧的有效圈数就是总圈数。

拓展资料

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。用弹性材料制成的零件在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。亦作“ 弹簧 ”。一般用弹簧钢制成。弹簧的种类复杂多样，按形状分，主要有螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧、异型弹簧等。

注意问题

由于受产品结构限制，多股簧一般具有强度高、性能好的特点。要求其材料在弹簧强度和韧性上对最终性能予以保证。多股簧在加工过程中，应注意的是：

1、支承圈根据产品要求可选用冷并和热并两种方法。采用热并方式不允许将簧加热至打火花或发白，硅锰钢温度不得高于850℃。支承圈与有效圈应有效接触，间隙不得超过圈间公称间隙的10%

2、多股簧特性可由调整导程决定，绕制时索距可进行必要调整。拧距可取3~14倍钢丝直径，但一般取8~13倍为佳。其簧力还与自由高度、并端圈、外径及钢丝性能等有密切关系，可通过调整其中某项或几项予以改变。

3、不带支承圈的弹簧和钢丝直径过细的弹簧不应焊接簧头，但端头钢索不应有明显的松散，应去毛刺。凡需焊接头部的多股簧，其焊接部位长度应小于3 倍索径（最长不大于10毫米）。加热长度应小于一圈，焊后应打磨平滑，气焊时焊接部位应进行局部低温退火。

4、弹簧表面处理一般进行磷化处理即可，也可进行其它处理。凡要进行镀层为锌与镉时，电镀后应进行除氢处理，除氢后抽3%（不少于3件）复试立定处理，复试中不得有断裂。弹簧应清除表面脏物、盐痕、氧化皮，方法可采用吹砂或汽油清洗的办法，但不能采用酸洗。

5、重要弹簧紧压时间为24小时，普通弹簧为6小时或连续压缩3~5次，每次保持3~5秒。紧压时弹簧与芯轴的间隙以芯轴直径的10%为宜，间隙过小则难于操作，间隙过大则易使弹簧发生弯曲变形。紧压时若其中一件弹簧折断，则其余应重新处理。

参考资料：百度百科：弹簧

压缩弹簧弹力的计算公式如下：

1、上面公式里每项代表的含义为：

①G = 剪切弹性模量[MPa, psi]（G值大小为：钢丝8000，不锈钢7200）；

②d = 线径 [mm, in]；

③n = 有效圈数 [-]；

④D = 中心直径 [mm, in]；

⑤k = 弹簧系数 [N/mm, lb/in]。

2、压缩弹簧的参数必须由材料、线径、中心直径、有效圈数、弹簧总长、工作高度、需求力度这些参数组成。如果对力度没有特别要求的弹簧，可以不提供弹簧的工作高度和需求力度的参数。

扩展资料

压缩弹簧弹力的相关情况

弹力的本质是分子间的作用力。其中的具体情况如下所示：

1、当物体被拉伸或压缩时，分子间的距离便会发生变化，使分子间的相对位置拉开或靠拢。

2、这样，分子间的引力与斥力就不会平衡，出现相吸或相斥的倾向。

3、而这些分子间的吸引或排斥的总效果，就是宏观上观察到的弹力。

4、如果外力太大，分子间的距离被拉开得太多，分子就会滑进另一个稳定的位置。

5、即使外力除去后，也不能再回到复原位，就会保留永久的变形。

参考资料：百度百科-压缩弹簧

弹簧承载量应该是弹簧的承载力吧，计算公式如下：

弹力公式

F=kx，F为弹力，k为劲度系数，x为弹簧拉长的长度

比如要测试一款5N的弹簧：

用5N力拉劲度系数为100N/m的弹簧，则弹簧被拉长5cm

F=kx,k是劲度系数（单位为牛顿每米），x是弹簧伸长量（单位为米），这定律叫胡克定律

比如：

一弹簧受大小为10N的拉力时，总长为7cm，受大小为20N的拉力时，总长为9cm，求原长和伸长3cm时受力大小

弹簧参数

⑴弹簧丝直径d：制造弹簧的钢丝直径。

⑵弹簧外径D2：弹簧的最大外径。

⑶弹簧内径D1：弹簧的最小外径。

⑷弹簧中径D：弹簧的平均直径。它们的计算公式为：D=（D2+D1）÷2=D1+d=D2－d

⑸节距t：除支撑圈外，弹簧相邻两圈对应点在中径上的轴向距离成为节距，用t表示。

⑹有效圈数n：弹簧能保持相同节距的圈数。

⑺支撑圈数n2：为了使弹簧在工作时受力均匀，保证轴线垂直端面、制造时，常将弹簧两端并紧。并紧的圈数仅起支撑作用，称为支撑圈。一般有1.5d、2d、2.5d，常用的是2d。

⑻总圈数n1: 有效圈数与支撑圈的和。即n1=n+n2.

⑼自由高H0：弹簧在未受外力作用下的高度。由下式计算：H0=nt+(n2-0.5）d=nt+1.5d (n2=2时）

⑽弹簧展开长度L：绕制弹簧时所需钢丝的长度。L≈n1 （ЛD2）2+n2 （压簧） L=ЛD2 n+钩部展开长度（拉簧）

⑾螺旋方向：有左右旋之分，常用右旋，图纸没注明的一般用右旋。

⑿ 弹簧旋绕比：中径D与钢丝直径d之比。