某型圆柱螺旋弹簧设计与疲劳寿命分析

摘要：圆柱螺旋弹簧是某型机械传动系统的关键部件，其设计的可靠性直接影响该结构的稳定和安全.首先对某型圆柱螺旋弹簧进行工况分析，进而基于机械设计原则对其刚度、强度进行理论校核，最后基于有限元应力仿真，在MSC Fatigue中计算出该弹簧最危险节点的寿命.所得结论表明设计弹簧的疲劳寿命满足疲劳可靠性的要求.

关键词：圆柱螺旋弹簧； 理论校核； 疲劳寿命； MSC Fatigue

中图分类号：TH135.1文献标志码：B

0引言

圆柱螺旋弹簧是机械系统常用的弹簧之一，其强度直接影响机械结构的稳定和安全，因此，弹簧疲劳强度及其寿命成为研究的重点.

李红艳[1]采用ANSYS的APDL建立起螺旋弹簧的几何模型，对考虑弹簧座的螺旋弹簧强度进行分析；刘庆教等[2]以某型液压缸用弹簧为研究对象，采用理论分析及有限元分析方法，对复杂工况下某型液压缸用弹簧进行疲劳强度分析，分析弹簧疲劳寿命与安全因数；张明建[3]介绍一种基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的简单方法，分析弹簧的疲劳寿命，为提高弹簧质量给出一些参考；绳义千等[4]和商跃进等[5]对机车圆柱螺旋弹簧进行研究，建立比较符合实际的压缩弹簧的三维有限元计算模型，并对压缩螺旋弹簧进行刚度、静强度分析，同时将试验结果与有限元分析结果进行比较，表明弹簧满足设计要求；钟文彬[6]介绍一种利用通用有限元软件求解圆柱螺旋弹簧刚度的计算方法；余东满等[7]指出传统机械设计的缺陷，结合现代机械设计理论，并基于应力和强度干涉模型，介绍圆柱螺旋弹簧疲劳强度的可靠性设计.

在弹簧的设计过程中，弹簧钢材的自身特性是影响弹簧强度及其寿命的关键因素.[8]在实际使用过程中，弹簧的失效形式主要是疲劳破坏.本文以某型号圆柱螺旋弹簧为研究对象，运用MSC公司的系列软件，开展设计弹簧的理论校核和疲劳寿命的仿真分析，为弹簧的设计制造提供参考.

1弹簧设计工况

某机械系统中，圆柱弹簧运行工况分析见图1.O点为二位板活动板OABC的旋转中心，整个二位板活动板机构以O点为中心作旋转运动；A和O1点分别为弹簧的2个挂钩，B和C点为活动板下表面的2个端点，BC为二位板活动板的初始位置，D点为活动板机构的质心点.以O点为圆心，分别以OA，OB，OC和OD为半径画圆弧，A，B，C和D点分别在各自所对应的圆弧上运动.当二位板活动板运动到终止位置时，活动板BC保持水平.活动板OABC初始由一个四杆机构推着向上运动一段，过弹簧力矩与板重力矩平衡位置，然后活动板OABC由弹簧力矩拉到OA’B’C’位置，运动过程中弹簧从O1A运动到O1A’.

4结论

（1）极限工况下，圆柱螺旋弹簧的等效应力未超过材料的强度极限，可适当调整弹簧环绕比，以减缓应力集中.

（2）圆柱螺旋弹簧的危险部位位于第一圈内侧，弹簧的最大危险节点22 977疲劳寿命为108次，满足设计要求.

参考文献：

[1]李红艳. 基于ANSYS的圆柱螺旋弹簧的强度与疲劳寿命分析[J]. 机械设计与制造， 2010， 10（10）： 92-93.

[2]刘庆教， 王秀君， 张虹源. 液压缸用弹簧疲劳强度分析及改进[J]. 工程机械， 2012， 43（10）： 33-36.

[3]张明建. 基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的弹簧疲劳寿命分析[J]. 机械研究与应用， 2012（6）： 107-113.

[4]绳义千， 肖绯雄， 张正远. 机车圆柱螺旋弹簧的有限元及试验分析[J]. 机车电传动， 2010， 9（5）： 45-46.

[5]商跃进， 曹茹， 戴蓉. 圆柱压缩螺旋弹簧三维静动态有限元分析与寿命预测[J]. 中国农机化， 2008（2）： 75-78.

[6]钟文彬. 圆柱螺旋弹簧刚度特性的有限元分析[J]. 机械， 2011， 38（12）： 21-23.

[7]余东满， 李晓静， 王朝龙， 等. 圆柱螺旋弹簧疲劳强度的可靠性设计[J]. 机械设计与制造， 2007， 8（8）： 19-20.

[8]张英会. 弹簧手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2000.（编辑陈锋杰）

推荐访问:圆柱 弹簧 螺旋 寿命 疲劳