圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算
一、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计原理
1、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧原理
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧是一种特殊的弹簧，其结构设计使用了螺
旋结构，螺旋结构的形状是一个圆柱形的圆柱螺纹。
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的压缩（拉伸）受力分布差异，当进行压缩（拉伸）力作用时，弹簧
的整个螺旋节在不同的力矩作用下会产生相应的弹性变形，从而使得弹簧
的中心轴变长，以缩短弹簧的长度。
2、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧特性
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧具有对同直径和外径的小变化具有很强的
适应性的特性，同时，压缩（拉伸）力也有必要时可以根据弹性变形率来
改变。
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的压缩（拉伸）受力分布差异，当进行
压缩（拉伸）力作用时，弹簧的整个螺旋节在不同的力矩作用下会产生相
应的弹性变形，从而使得弹簧的中心轴变长，从而缩短弹簧的长度。
此外，这种弹簧具有紧凑结构，能够有效地减少设备装置内的多余空间，重量轻，由于采用细小的钢、不锈钢、铜或其它有良好装配性的金属等材料，具有
良好的耐磨性、耐腐蚀性和耐臭氧性等性能。
圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
一、定义
1、圆柱螺旋弹簧：圆柱螺旋弹簧由弯曲的螺旋条组成，可在垂直和
轴向两个轴上拉伸。
它可以提供可靠的形变响应，并具有很强的耐用性和
重复性。
2、设计计算：圆柱螺旋弹簧的设计计算主要是根据弹簧性能要求，
确定标准尺寸、曲率半径等参数，并且确定合适的材料，使弹簧工作正常。
二、材料选择
圆柱螺旋弹簧主要由碳钢和不锈钢制成，所以在选择材料时要注意材
料的弹性模量，刚度和耐腐蚀性的特点。
1、碳钢：碳钢具有良好的抗张性能，耐腐蚀性不强。
碳钢的弹性模
量比不锈钢低好多，所以轻微的弹簧最好采用碳钢。
2、不锈钢：不锈钢具有很高的弹性模量和较高的耐蚀性，因此适用
于强度较大的圆柱螺旋弹簧。
三、尺寸设计
1、外径：根据弹簧的外形和尺寸，圆柱螺旋弹簧的外径可以在固定
的范围内变化，一般为30mm-100mm。
2、螺距：一般采用固定螺距，使用相同的螺距可以达到更好的组装
精度，以减少工程成本。
3、曲率半径：曲率半径取决于弹簧的用途，一般的圆柱螺旋弹簧使
用的曲率半径为30mm-1000mm。
4、钢丝直径：根据弹簧的负载性能，确定材料和钢丝直径，以满足弹簧的负载要求。
圆柱螺旋压缩弹簧计算公式
圆柱螺旋压缩弹簧计算
公式
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式
参数名称及代号计算公式备注
压缩弹簧拉伸弹簧
中径D2 D2=Cd 按普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列表取标准值
内径D1 D1=D2-d
外径D D=D2+d
旋绕比C C=D2/d压缩弹簧长细比b b=H0/D2 b在1～的范围内选取自由高度或长度H0 H0≈pn+～2)d（两端并紧，磨平）H0≈pn+(3～d（两端并紧，不磨平） H0=nd+钩环轴向长度工作高度或长度H1,H2,…,Hn Hn=H0-λn Hn= H0+λn λn--工作变形量有效圈数n 根据要求变形量按式（16-11）计算n≥2总圈数n1 n1=n+(2～（冷卷）n1=n+～2) （YII型热卷） n1=n 拉伸弹簧n1尾数为1/4,1/2,3/4整圈。
推荐用1/2圈节距p p=～D2 p=d 轴向间距δ δ=p
-d 展开长度L L=πD2n1/cosα L≈πD2n+钩环展开长度螺旋角α α=arctg(p/πD 2) 对压缩螺旋弹簧，推荐α=5°～9°质量ms ms= γ为材料的密度，对各种钢，γ=7700kg/ ；对铍青铜，γ=8100kg/。
圆柱螺旋弹簧一般计算公式
1. 弹簧刚度：
2. 力值： 其中：G 为材料剪切模量，一般不锈钢取71500Mpa,碳钢取
78500Mpa ；
d 为材料直径；
D 为弹簧中径；
n 为弹簧有效圈数；
f 为变形量（拉压行程）。
3. 应力： K 为曲度系数，公式为： 其中C 为弹簧旋绕比，是弹簧中径与线径的比值，即
4. 下表是GB/T23935-2009（圆柱螺旋弹簧设计计算）中压缩弹簧及拉伸弹簧的试验切应力及许用应力表
表2-1
n D d G 34
,
8P =f 8f 34,
⋅==n D Gd P P K PC K ⋅=⋅=2
3d 8d 8PD ππτC
C C K 615.04414+--=d D
C =
比压簧多了初拉力，加上初拉力就行。
初拉力： 其中初拉力τ0按初切应力图选取，见下图。
三．扭簧：
1.计算刚度 Dn
Ed M 3670'4= Nmm/° 2.扭矩 ϕ⋅=Dn
Ed M 36704
Nmm 式中:d---材料直径；
E---材料的弹性模量，一般不锈钢丝取188000Mpa ，碳素钢丝
取206000Mpa ；
D---弹簧外径；
ϕ---弹簧的扭转行程（角度）；
4. 应力： K1为曲度系数，顺旋向扭转取1，逆旋向扭转时按下式：
308τπ⋅=D d P 132
.10K d
M ⋅=σ
下表是GB/T23935-2009（圆柱螺旋弹簧设计计算）中扭转弹簧的试验切应力及许用应力表
C
C C C K 4414221---=。
弹簧参数、尺寸及计算公式
弹簧参数、尺寸及计算公式弹簧参数及尺寸一、小型圆柱螺旋拉伸弹簧尺寸及参数1、弹簧的工作图及形式1.1 工作图样的绘制按GB4459、4规定。
1.2 弹簧的形式分为A型和B型两种。
2、材料弹簧材料直径为0.16~0.45mm，并规定使用GB4357中B组钢丝或YB(T)11中B组钢丝。
采用YB(T)11中B组钢丝时，需在标记中注明代号“S”。
3、制造精度弹簧的刚度、外径、自由长度按GB1973规定的3级精度制造。
如需按2级精度制造时，加注符号“2”，但钩环开口尺寸均按3级精度制造。
4、旋向弹簧的旋向规定为右旋。
如需左旋应在标记中注明“左”。
5、钩环开口弹簧钩环开口宽度a为0.25D~0.35D。
注：D为弹簧中径。
6、表面处理6.1采用碳素弹簧钢丝制造的弹簧，表面一般进行氧化处理，但也可进行镀锌、镀镉、磷化等金属镀层及化学处理。
其标记方法应按GB1238的规定。
6.2采用弹簧用不锈钢丝制造的弹簧，必要时可对表面进行清洗处理，不加任何标记。
7、标记7.1标记的组成弹簧的标记由名称、型式、尺寸、标准编号、材料代号(材料为弹簧用不锈钢丝时)以及表面处理组成。
规定如下：7.2标记示例例1:A型弹簧，材料直径0.20mm，弹簧中径3.20mm，自由长度8.80mm，左旋，刚度、外径和自由长度的精度为2级，材料为碳素弹簧钢丝B组，表面镀锌处理。
标记:拉簧A0.20*3.20*8.80-2左GB1973.2——89-D-Zn例2：B型弹簧，材料直径0.40mm，弹簧中径5.00mm，自由长度17.50mm，右旋，刚度、外径和自由长度的精度为3级，材料为弹簧用不锈钢丝B组。
标记：拉簧B0.40*5.00*17.50 GB1973.2--89-S8、计算依据标准中的计算采用如下基本公式：切应力(N/mm²)：τ=(8PDK)/(πd³)变形量(mm)：F=(8PD³n)/ Gd4弹簧钢度(N/mm):P′=P/ F=(Gd4)/(8D³n)曲度系数：K =(4C-1)/(4C-4)+ (0.615)/C旋转比：C =D/d 自由长度(mm)：H。
弹簧的计算公式
c
最大许用压 力Ps(Kg.f) 2154.368051
弹簧常数K
（Kg/mm) 24
圈内径D1，弹簧圈中径D2，
差愈大，材料利用率低；反
18～40 4～6
用着：扭矩T=FRcosα ，弯 径）。由于弹簧螺旋角α的 因此，在弹簧丝中起主要作 F。这种简化对于计算的准
，只是扭矩T和切向力Q均 于圆形弹簧丝
丝曲率的影响，可得到扭
条件下钢丝直径
k
19531.25
N/M
7.68
；对于压缩弹簧总圈数n1 ，通常弹簧的有效圈数最 弹簧，刚度愈大，弹簧也 引起较大的切应力。此外， 。
进行稳定性的验算。（见 列情况取为：
稳时的临界载荷Fcr。一般
Fmax之值，以保证弹簧的 杆或导套，以免弹簧受载时图a ຫໍສະໝຸດ 图b 图c7～16 4～8
弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：
弹簧节距t一般按下式取：
（对压缩弹簧）；
t=d （对拉伸弹簧）； 式中：λmax --- 弹簧的最大变形量； Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。
弹簧钢丝间距： δ=t-d ； 弹簧的自由长度： H=n·δ+(n0-0.5)d（两端并紧磨平）； H=n·δ+(n0+1)d（两端并紧，但不磨平）。 弹簧螺旋升角：
式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径
3、弹簧的刚度 圆柱弹簧受载后的轴向变形量
式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。 这样弹簧的圈数及刚度分别为
对于拉伸弹簧，n1>20时，一般圆整为整圈数，n1<20时，可圆整为1/2圈；对于压缩弹簧总圈数n1 的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最 少为2圈。C值大小对弹簧刚度影响很大。若其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧也 就愈硬；反之则愈软。不过，C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在工作时会引起较大的切应力。此外， k值还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
圆柱螺旋弹簧设计计算表
圆柱螺旋弹簧设计计算表
4 - 16
外径Demax. 350 mm工作线圈数nmin. 3比
率b/h1:5 - 5:1自由长度L0max. 1500 mm长细
比L0/D1 - 15间距p(0.2 - 0.4) D - 无预压弹簧
弹簧收尾设计
.
A =半圈
B = 整圈
C = 侧面整圈
D =双扭曲整圈
E = 侧面双扭曲整圈
F = 内部整圈
G =. 提高的挂勾H = 侧面提高的挂勾L = 锥形旋转小圈收尾I = 小圈J = 侧面小圈K = 倾斜的整圈
M = 锥形旋转螺栓收尾N = 螺丝状收尾O = 螺丝状束缚收尾
拉伸弹簧通常使用几种不同高度和特性的挂钩来固定（A..J）。
从技术角度讲，固定挂钩是最好的解决方案，但是，这也带来弹簧负载的一些确定问题。
弹簧负载带给挂钩集中的负载应力，该负载应力可能明显地高于弹簧线圈所计算的应力。
针对在挂钩中产生的弯曲应力，小圈（类别 I, J）或双圈（类别 D, E）是最佳方案。
针对由线变成线圈所产生的集中的扭转应力，侧边整圈（类别 C,E,I）是最佳方案。
对于挂钩的独立设计，以下挂钩高度值指定如下：
热成型弹簧，方形线圈弹簧以及循环负载弹簧通常无弹簧卡钩使用(M..O. design)。
无固定挂钩弹簧使用边缘线圈固定，弹簧功能变形中线圈间距不会变化。
圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
首先，弹簧材料的选择是设计弹簧的第一步。
弹簧一般由钢材制成，
常用的有普通碳素钢、合金钢等。
材料的选择主要考虑弹性模量、屈服强
度和抗疲劳性能等指标。
一般情况下，选择具有较高屈服强度和良好抗疲
劳性能的钢材作为弹簧材料。
接下来，需要确定弹簧的几何参数，包括弹簧线圈数、线径、外径和
自由长度等。
这些参数的确定需要根据弹簧设计的工作条件和性能要求进
行计算。
其中，弹簧线圈数的确定是根据弹簧的刚度要求和可用的安装空
间来确定的。
线径和外径的选择需要考虑到弹簧的受力情况，一般来说，
线径越大，弹簧的刚度越大，外径越大，弹簧的承载能力越大。
自由长度
是指弹簧在没有受力时的长度，它的选择需要考虑到装配和安装上的要求。
最后，弹簧的刚度需要根据设计要求来确定。
弹簧的刚度表示了弹簧
在受力时的变形程度，刚度越大，变形越小。
弹簧的刚度可以通过加载和
测量弹簧受力变形来确定，也可以通过计算公式进行估算。
常用的计算公
式有虎克公式、彼得逊公式和牛顿公式等。
根据这些公式，可以根据弹簧
的几何参数和受力情况来计算弹簧的刚度。
总结起来，圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算包括弹簧材料的选择、弹簧
的几何参数计算以及刚度的确定等。
在进行计算时，需要考虑到弹簧设计
的工作条件和性能要求，并通过加载和测量弹簧受力变形或计算公式来确
定弹簧的各项参数。
这样设计出的弹簧可以满足工程应用的需求，保证安
全可靠地工作。
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圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算
首先，我们需要确定弹簧的使用条件和要求。
这包括弹簧所受的最大载荷、最小载荷、工作环境温度、可接受的变形范围等。
接下来，我们需要确定弹簧的材料。
选取合适的弹簧材料是确保弹簧性能和寿命的关键。
常用的弹簧材料有碳钢、不锈钢、合金钢等。
根据使用条件和要求，选择合适的材料。
然后，我们需要计算弹簧的刚度。
刚度是弹簧对受力的反应能力，用于计算弹簧的变形量。
刚度的计算可以通过胡克定律来实现，即应力与应变成正比。
刚度的计算公式为：
k=Gd^4/(8D^3n)
其中，k为弹簧的刚度，G为弹簧材料的剪切模量，d为弹簧线径，D 为弹簧的平均直径，n为弹簧的总匝数。
在计算刚度之后，我们可以进一步计算弹簧的自由长度。
自由长度是弹簧未施加载荷时的长度。
自由长度的计算公式为：
Lf=L+F/k
其中，Lf为弹簧的自由长度，L为弹簧未施加载荷时的实际长度，F 为弹簧施加的载荷，k为弹簧的刚度。
接下来，我们需要计算弹簧的最大变形量。
最大变形量是指弹簧从自由状态到最大受力状态时的变形量。
最大变形量的计算公式为：ΔL = (Fmax - Fmin) / k
其中，ΔL为弹簧的最大变形量，Fmax为弹簧所受的最大载荷，Fmin 为弹簧所受的最小载荷，k为弹簧的刚度。
最后，我们需要检查弹簧的安全性。
在设计弹簧时，必须确保它能够承受所施加的载荷，并且不会发生破裂或变形。
为了确保弹簧的安全性，我们需要计算弹簧的应力，并与弹簧材料的抗拉强度进行比较。
如果应力超过了材料的强度，就需要重新设计弹簧或者更换更强的材料。
综上所述，圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算包括弹簧使用条件和要求的确定、弹簧材料的选择、刚度的计算、自由长度的计算、最大变形量的计算以及弹簧的安全性检查。
通过这些计算，我们能够设计出合适的圆柱螺旋拉伸弹簧，满足各种机械装置的要求。