网站原创摘 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
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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.