Общие формулы расчета

Коэффициент использования материала

Наружный диаметр пружины

D1 = D + d [д]

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]

Внутренний диаметр пружины

D2 = D – d [д]

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]

Рабочая деформация

H = L8 - L1 = s8 - s1 [д]

Где:

	L8	длина полностью нагруженной пружины [д]
	L1	длина предварительно нагруженной пружины [д]
	s8	деформация полностью нагруженной пружины [д]
	s1	деформация предварительно нагруженной пружины [д]

Высота зацепа пружины

Где:

	L0	длина пружины в свободном состоянии [д]
	LZ	длина части пружины с витками [д]

Индекс пружины

c = D/d [-]

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]

Поправочный коэффициент Валя

Где:

c

индекс пружины [-]

Начальное растяжение

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]
	τ0	напряжение в свободном состоянии [фн/кв.дюйм]
	Kw	поправочный коэффициент Валя [-]

Общая сила, действующая в пружине

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]
	τ	напряжение при кручении — это сила на единицу площади материала пружины в целом [фунт/кв. дюйм]
	Kw	поправочный коэффициент Валя [-]
	G	модуль упругости материала пружины [фн/кв.дюйм]
	s	обобщенная деформация пружины [д]
	n	количество активных витков [-]
	F0	начальное растяжение пружины [фн]

Жесткость пружины

Где:

	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]
	G	модуль упругости материала пружины [фн/кв.дюйм]
	s	обобщенная деформация пружины [д]
	n	количество активных витков [-]
	F8	рабочее усилие в полностью нагруженной пружине [фн/кв.дюйм]
	F1	рабочее усилие в минимально нагруженной пружине [фн/кв.дюйм]
	H	рабочая деформация [д]

Расчет конструкции пружины

При проектировании пружины подбирается диаметр проволоки, количество витков и длина свободной пружины L0 для заданной нагрузки, материала и сборочных размеров.

Если рассчитанная пружина не соответствует ни одному значению диаметра проволоки для данного напряжения τ0 согласно формуле, расчет пружины повторяется с использованием скорректированного значения напряжения в свободном состоянии из рекомендуемого диапазона.

Пружине без начального растяжения соответствует средний рекомендуемый шаг витков t = 0,35 D [д].

Если рассчитанная пружина не соответствует ни одному значению диаметра проволоки для выбранного шага, расчет пружины повторяется с использованием скорректированного значения шага из рекомендуемого диапазона 0,3 D ≤ t ≤ 0,4 D [д].

Конструкция пружины определяется с учетом условия прочности τ 8 ≤ u s τ A и рекомендуемых диапазонов некоторых геометрических размеров пружины: L0 ≤ D и L0 ≤ 31,5 дюйма и 4 ≤ D/d ≤ 16 и n ≥ 2.

Задание нагрузки, материала и сборочных размеров пружины

Вначале выполняется проверка входных величин для расчета.

Затем вычисляется длина пружины в свободном состоянии.

После расчета выбирается диаметр проволоки, количество витков и диаметры пружины – так, чтобы высота зацепа соответствовала выбранному типу зацепа, а также выполнялись прочностные и геометрические условия. Конструкция пружины должна удовлетворять по диаметрам всем заданным начальным условиям.

В ходе проектирования пружины отбираются все диаметры проволоки (от меньшего к большему), которые проходят по прочностным и геометрическим условиям. Проверяются высота зацепа и количество витков. Если ни одно из условий не нарушается, расчет конструкции завершается и текущие значения параметров принимаются в качестве его результатов, независимо от того как прошел бы расчет при других подходящих диаметрах проволоки.

Вычисленное значение высоты зацепа должно находиться в пределах d ≤ o ≤ 30d. Комбинация диаметра проволоки, количества витков и диаметра пружины должна давать в итоге такую высоту зацепа, которая удовлетворяет его типу. Вначале в качестве типа зацепа берется полный виток, затем, если он не годится–полный виток внутри и т.д.

Задание нагрузки, материала и диаметра пружины

Вначале выполняется проверка входных величин для расчета.

После проверки выбирается диаметр проволоки, количество витков, длина пружины в свободном состоянии и сборочные размеры пружины – так, чтобы высота зацепа соответствовала выбранному типу зацепа. Кроме того, должны выполняться прочностные и геометрические условия. Если сборочный размер L1 или L8 взят из спецификации или значение рабочей деформации пружины ограничено, конструкция пружины должна соответствовать этому условию. В остальных случаях предельные значения сборочных размеров пружины и ее длины в свободном состоянии определяются геометрическими условиями для заданного диаметра пружины и минимального/максимального допустимого диаметра проволоки.

Формула для проектирования пружины по заданному диаметру проволоки.

где значение τ8 = 0,85 τA используется в качестве величины напряжения материала пружины при кручении в полностью нагруженном состоянии.

Если для данного диаметра проволоки не удается подобрать подходящую комбинацию размеров пружины, расчетная процедура оценивает другие диаметры проволоки. Они проверяются, начиная от меньшего к большему, до тех пор пока не будет достигнуто такое количество витков, при котором высота зацепа удовлетворяет всем условиям. Расчет конструкции завершается, и текущие значения параметров принимаются в качестве его результатов, независимо от того, как прошел бы расчет при других подходящих диаметрах проволоки. Таким образом, полученная пружина имеет минимально возможный диаметр проволоки и минимально возможное количество витков.

Вычисленное значение высоты зацепа должно находиться в пределах d ≤ o ≤ 30d. Для высоты, вычисленной таким способом, выбирается соответствующий тип зацепа. Комбинация диаметра проволоки, количества витков, длины пружины в свободном состоянии и сборочных размеров пружины должна давать в итоге такую высоту зацепа, которая удовлетворяет его типу. Вначале в качестве типа зацепа берется полный виток, затем, если он не годится–полный виток внутри и т.д.

Задание максимального рабочего усилия, материала, сборочных размеров и диаметра пружины

Вначале выполняется проверка входных величин для расчета.

Затем подбирается диаметр проволоки, количество витков, длина свободной пружины и минимальное рабочее усилие F1 таким образом, чтобы высота зацепа пружины соответствовала выбранному типу зацепа. Кроме того, должны выполняться упомянутые выше прочностные и геометрические условия.

Формула для проектирования пружины по заданному диаметру проволоки.

где значение τ8 = 0,9 τA используется в качестве величины напряжения материала пружины при кручении в полностью нагруженном состоянии.

Если для данного диаметра проволоки не удается подобрать подходящую комбинацию размеров пружины, расчетная процедура оценивает другие диаметры проволоки. Они проверяются, начиная от меньшего к большему, до тех пор пока не будет достигнуто такое количество витков, при котором высота зацепа удовлетворяет всем условиям. Расчет конструкции завершается, и текущие значения параметров принимаются в качестве его результатов, независимо от того, как прошел бы расчет при других подходящих диаметрах проволоки. Таким образом, полученная пружина имеет минимально возможный диаметр проволоки и минимально возможное количество витков.

Проверочный расчет пружины

Расчет соответствующих значений сборочных размеров и рабочего отклонения для указанной нагрузки, материала и размеров пружины.

Сначала проверяются расчетные входные значения. Затем на основании приведенных ниже формул вычисляются сборочные размеры.

Длина предварительно нагруженной пружины

Длина полностью нагруженной пружины

Где:

	F1	рабочее усилие в минимально нагруженной пружине [фн/кв.дюйм]
	D	средний диаметр пружины [д]
	d	диаметр проволоки [д]
	G	модуль упругости материала пружины [фн/кв.дюйм]
	L0	длина пружины в свободном состоянии [д]
	n	количество активных витков [-]
	F8	рабочее усилие в полностью нагруженной пружине [фн/кв.дюйм]

Рабочая деформация

H = L1 - L8 [д]

Расчет рабочих сил

Расчет соответствующих сил, действующих в пружинах в рабочем состоянии для указанного материала, сборочных размеров и размеров пружины. Сначала проверяются и рассчитываются входные данные, а затем выполняется расчет рабочих сил с помощью следующих формул.

Минимальное рабочее усилие

Максимальное рабочее усилие

Расчет выходных параметров пружины

Эта часть является общей для всех типов расчета пружины. Расчет производится в следующем порядке.

Коэффициент высоты зацепа

Жесткость пружины

Длина части с витками

Пружина без начального растяжения
	Lz = tn + d [д]
Пружина с начальным растяжением
	Lz = 1,03 (n + 1) d [д]

Деформация предварительно нагруженной пружины

s1 = L1 - L0 [д]

Полная деформация пружины

s8 = L8 - L0 [д]

Напряжение при кручении материала пружины в состоянии предварительной нагрузки

Напряжение материала пружины при кручении при полном нагружении

Предельное усилие в пружине

Деформация в предельном состоянии

Где:

	k	жесткость пружины [фн/д]
	F9	рабочее усилие в пружине, нагруженной до предела [фн]
	F0	начальное растяжение пружины [фн]

Предельная длина пружины

L9 = L0 + s9 [д]

Энергия деформации пружины

Длина развернутой проволоки

l = 3,2 D n + l0 [д]
	Где длина развернутого зацепа l0:
		для половины витка
			l0= πD + 4o - 2D - 2d [д]
		для полного витка
			l0= 2 (πD - 2d) [д]
		для полного витка сбоку
			l0= 2 (πD - 2d) [д]
		для полного витка внутри
			l0= 2 (πD - d) [д]
		для поднятого зацепа
			l0 = πD + 2o - D + 3d [д]
		для двух полных витков
			l0= 4πD [д]
		для двух полных витков сбоку
			l0= 4πD [д]
		для неуказанного типа зацепа
			l0= 0 [д]

Масса пружины

Собственная частота колебаний пружины

Проверка нагрузки пружины

τ8 ≤ u s τA

Обзор используемых переменных:

d	диаметр проволоки [д]
k	жесткость пружины [фн/д]
D	средний диаметр пружины [д]
D1	наружный диаметр пружины [д]
D2	внутренний диаметр пружины [д]
F	обобщенное усилие, приходящееся на пружину [фн]
G	сдвиговый модуль упругости материала пружины [фн/кв.дюйм]
H	рабочая деформация [д]
c	индекс пружины [-]
Kw	поправочный коэффициент Валя [-]
l	длина развернутой проволоки [д]
L	обобщенная длина пружины [д]
LZ	длина части пружины с витками [д]
m	масса пружины [фн]
n	количество активных витков [-]
o	высота зацепа пружины [д]
t	шаг активных витков в ненагруженном состоянии [д]
s	обобщенная деформация (растяжение) пружины [д]
us	коэффициент использования материала
ρ	плотность материала пружины [фн/фт3]
τ	напряжение при кручении — это сила на единицу площади материала пружины в целом [фунт/кв. дюйм]
τA	допустимое напряжение материала пружины при кручении [фн/кв.дюйм]