Расчет пружины растяжения на прочность

ФОРМУЛЫ И СПОСОБЫ РАСЧЕТА ПРУЖИН
ИЗ СТАЛИ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ
(по ГОСТ 13765-86)
расчет пружин

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ПРУЖИН ПО ГОСТ 13765-86

1. Исходными величинами для определения размеров пружин являются силы F1 и F2 , рабочий ход h, наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении
или при разгрузке vmax, выносливость Np и наружный диаметр пружины D1 (предварительный).Если задана только одна F2 сила то вместо рабочего хода h для подсчета берут величину рабочей деформации S 2, соответствующую заданной силе.

2. По величине заданной выносливости Np предварительно определяют принадлежность пружины к соответствующему классу по табл. 1.

3. По заданной силе F2 и крайним значениям инерционного зазора δ вычисляют по формуле (2) значение силы F3.

4. По значению F3, пользуясь табл. 2, предварительно определяют разряд пружины.

5. По табл. 11-17 находят строку, в которой наружный диаметр витка пружины наиболее близок к предварительно заданному значению D1. В этой же строке находят соответствующие значения силы F3 и диаметра проволоки d.

6. Для пружин из закаливаемых марок сталей максимальное касательное напряжение τ3 находят по табл. 2, для пружин из холоднотянутой и термообработанной τ3 вычисляют с учето значений временного сопротивления Rm. Для холоднотянутой проволоки Rm определяют из ГОСТ 9389-75, для термообработанной — из ГОСТ 1071-81.

7. По полученным значениям F3и τ3, a также по заданному значению F2 по формулам (5) и (5а) вычисляют критическую скорость vk и
отношение vmax / vk, подтверждающее или отрицающее принадлежность пружины к предварительно установленному классу. При несоблюдении условий vmax / vk < 1 пружины I и II классов относят к последующему классу или повторяют расчеты, изменив исходные условия.
Если невозможно изменение исходных условий, работоспособность обеспечивается комплектом запасных пружин.

8. По окончательно установленному классу и разряду в соответствующей таблице на параметры витков пружин, помимо ранее найденных величин F3, D1 и d, находят величины c1 и s3, после чего остальные размеры пружины и габариты узла вычисляют по формулам (6)-(25).

КЛАССЫ И РАЗРЯДЫ ПРУЖИН

Ниже рассматриваются винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения из стали круглого сечения с индексами i = d/D от 4 до 12.

Приводимые данные распространяются на пружины для работы при температурах от -60 до +120°С в неагрессивных средах. Пружины разделяют на классы, виды и разряды (см. ниже).

Класс пружин характеризует режим нагружения и выносливости, а также определяет основные требования к материалам и технологии изготовления.

Разряды пружин отражают сведения о диапазонах сил, марках применяемых пружинных сталей, а также нормативах по допускаемым напряжениям.

Отсутствие соударения витков у пружин сжатия определяется условием vmax / vk < 1,

где,

vmax — наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или при разгрузке, м/с;

vk — критическая скорость пружин сжатия, м/с (соответствует возникновению соударения витков пружины от сил инерции).

ВЫНОСЛИВОСТЬ И СТОЙКОСТЬ ПРУЖИН

При определении размеров пружин необходимо учитывать, что при vmax> vk, помимо касательных напряжений кручения, возникают контактные напряжения от соударения витков, движущихся по инерции после замедления и остановок сопрягаемых с пружинами деталей. Если соударение витков отсутствует, то лучшую выносливость имеют пружины с низкими напряжениями τ3, т.е. пружины класса I по табл. 1, промежуточную — циклические пружины класса II и худшую — пружины класса III.

При наличии интенсивного соударения витков выносливость располагается в обратном порядке, т.е. повышается не с понижением, а с ростом τ3. В таком же порядке располагается и стойкость, т.е. уменьшение остаточных деформаций или осадок пружин в процессе работы.

1. КЛАССЫ ПРУЖИН по ГОСТ 13765-86

Класс пружин	Вид пружин	Нагружение	Выносливость NF (установленная безотказная наработка), циклы, не менее	Инерционное соударение витков
I	Сжатия и растяжения	Циклическое	1×107	Отсутствует
II	Сжатия и растяжения	Циклическое и статическое	1×105	Отсутствует
III	Сжатия	Циклическое	2×103	Допускается

Примечание. Указанная выносливость не распространяется на зацепы пружин растяжения.

2. РАЗРЯДЫ ПРУЖИН по ГОСТ 13765-86

		Сила пружины при максим. деформации F3, H	Диаметр проволоки (прутка) d, мм	Материал		Твердость после термообработки HRC	Максимальное касательное напряжение при кручении τ3, МПа
				Марка стали	Стандарт на заготовку
I	1	1 — 850	0,2 — 5,0	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	—	0,3Rm		ГОСТ 13766
	2	1 — 800			Проволока классов II и IIА по ГОСТ 9389				ГОСТ 13767
		22,4 — 800	1,2 — 5,0	51ХФА-Ш по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 1071		0,32Rm
	3	140 — 60000	3,0 — 12,0	60С2А, 65С2ВА, 70СА3 по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	47,5…53,5	560		ГОСТ 13768
				51ХФА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	45,5…51,5
	4	2800 — 180000	14 — 70	60С2А, 65С2ВА, 70С3А, 60С2, 60С2ХА, 60С2ХФА, 51ХФА по ГОСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	44,0…51,5	480		ГОСТ 13769
II	1	1,5 — 1400	0,2 — 5,0	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	—	0,5Rm		ГОСТ 13770
	2	1,25 — 1250			Проволока класса II и IIA по ГОСТ 9389				ГОСТ 13771
		37,5 — 1250	1,2 — 5,0	51ХФА-Ш по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 1071		0,52Rm
	3	236 — 10000	3,0 — 12,0	60С2А, 65С2ВА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	47,5…53,5	960		ГОСТ 13772
				65Г по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 2771
				51ХФА по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	45,5…51,5
	4	4500 — 280000	14 — 70	60С2А, 60С2, 65С2ВА, 70С3А, 51ХФА, 65Г, 60С2ХФА, 60С2ХА по ГСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	44,0…51,5	800		ГОСТ 13773
III	1	12,5 — 1000	0,3 — 2,8	по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1435	Проволока класса I по ГОСТ 9389	—	0,6Rm	—	ГОСТ 13774
	2	315 — 14000	3,0 — 12,0	60С2А, 65С2ВА, 70С3А по ГОСТ 14959	Проволока по ГОСТ 14963	54,5…58,0	13509		ГОСТ 13775
	3	6000 — 20000	14 — 25	60С2А, 65С2ВА, 70С3А по ГОСТ 14959	Сталь горячекат. круглая по ГОСТ 2590	51,5…56,0	1050		ГОСТ 13776

Примечания:

1. Максимальное касательное напряжение при кручении приведено с учетом кривизны витков.

2. Rm — предел прочности пружинных материалов

    Средствами регулирования выносливости и стойкости циклических пружин в рамках каждого класса при неизменных заданных значениях рабочего хода служат изменения разности между максимальным касательным напряжением при кручении τ3 и касательным напряжением при рабочей деформации τ2.

    Возрастания разности τ3 — τ2 обусловливают увеличение выносливости и стойкости
циклических пружин всех классов при одновременном возрастании размеров узлов.
Уменьшение разностей τ3 — τ2 сопровождается обратными изменениями служебных качеств и размеров пространств в механизмах для размещения пружин.

   Для пружин I класса расчетные напряжения и свойства металла регламентированы так, что при
νmax/ νk ≤ 1 обусловленная выносливость пружин при действии силы F1 (сила пружины при предварительной деформации) не менее 0,2F3 (сила пружины при максимальной деформации) обеспечивается при всех осуществимых расположениях и величинах рабочих участков на силовых диаграммах разности напряжений τ3 — τ2, и τ2 — τ1, (касательное напряжение при предварительной деформации).

   Циклические пружины II класса при νЕЙ ПРУЖИН СЖАТИЯ И РАСТЯЖЕНИЯ

1. Пружина сжатия из проволоки круглого сечения с неподжатыми и нешлифованными крайними витками.

расчет пружин

2. Пружина сжатия с поджатыми по 3/4 витка с каждого конца и шлифованными на 3/4 окружности опорными поверхностями.

расчет пружин

3. Пружины растяжения из проволоки круглого сечения с зацепами, открытыми с одной стороны и расположенными в одной плоскости.

расчет пружин
ОПОРНЫЕ ВИТКИ ПРУЖИН СЖАТИЯ

ДЛИНА ПРУЖИН СЖАТИЯ

Длину пружин сжатия рекомендуется принимать Lo <= (D1 — d).

Можно брать Lo до 5 х (D — d), но тогда пружины должны работать на направляющем стержне или в направляющей гильзе. При этом между пружиной и сопрягаемой деталью выдерживают зазор z в зависимости от величины среднего диаметра D пружины.

Значение зазора z, мм
расчет пружин

Похожие документы:

чертеж пружины сжатия;

чертеж пружины параболоидной;

расчет пластинчатой пружины изгиба;

расчет пружин кручения из круглой проволоки;

ГОСТ 13764-86 » Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Классификация»;

ГОСТ 13766-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13767-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13768-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13769-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия 1 класса, разряда 4 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13770-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13771-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13772-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13773-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия II класса, разряда 4 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13774-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 1 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13775-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 2 из стали круглого сечения. Основные параметры витков»;

ГОСТ 13776-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 3 из стали круглого сечения. Основные параметры витков».

Источник

Опубликовано 28 Июн 2015
Рубрика: Механика | 25 комментариев

Пружина растяжения Данная статья является откликом на многочисленные обращения читателей с просьбой представить алгоритм и расчет пружины растяжения в виде простой и понятной программы в MS Excel, подобной программе расчета пружины сжатия, опубликованной на блоге в июне 2013 года.

Перед тем как перейти непосредственно к программе хочу отметить несколько важных моментов, определяющих методику расчета цилиндрической винтовой пружины растяжения из круглой проволоки.

1. Логика и зависимости силового расчета пружины растяжения абсолютно аналогичны алгоритму и формулам расчета пружины сжатия.

2. На величину высоты пружины существенно влияют форма и размеры зацепов.

В представленной ниже программе выбран наиболее технологичный вид зацепов, считающийся одним из лучших.

Чертеж пружины растяжения

3. Пружина растяжения может быть навита с предварительным натяжением! Если пружина сжатия при приложении осевой нагрузки сразу начинает осадку, то пружина растяжения может начать образовывать зазор между витками только после достижения растягивающей осевой силой некоторого значения F0>0! Вычислить силу F0 достаточно сложно, поэтому часто ее определяют экспериментально – замерами динамометром, а затем добавляют в виде поправки к значениям сил F1, F2 и F3 при прежних перемещениях, изменяя расчетные значения на диаграмме рабочего чертежа. Наличие предварительного натяжения позволяет сделать пружину растяжения более компактной в осевом направлении.

В программе: F0=0! Это следует помнить и учитывать.

4. Долговечность пружины – это количество циклов сжатия-растяжения, в течение которых пружина сохраняет свои силовые и геометрические параметры, по-простому – не ломается. На долговечность цилиндрической пружины и растяжения и сжатия влияют три главных фактора:

— механические свойства материала, из которого навита пружина;

— индекс пружины (отношение среднего диаметра навивки к диаметру проволоки);

— угол подъема витка (для пружины сжатия – это тангенс отношения шага навивки к длине витка, а для пружины растяжения – это тангенс отношения максимальной деформации витка к длине витка).

Если взять кусок проволоки и начать сгибать-разгибать в одном месте, то проволока переломится через некоторое количество циклов. Если сгибать-разгибать с малым радиусом и на большой угол, то разрушение произойдет быстрее, чем при сгибах с большим радиусом и на малый угол.

Аналогично обстоит дело и с долговечностью пружины. Чем меньше угол подъема витка и больше индекс пружины, тем большее количество циклов она отработает. Если требуется высокая долговечность, угол подъема витка следует принять 5…7° и только для статического режима работы можно этот угол увеличить до 10°.

Расчет пружины растяжения в MS Excel.

Предлагаемая вашему вниманию программа является адаптированным вариантом программы расчета пружины сжатия, которую вы найдете по ссылке в начале статьи.

Если заданные вами значения параметров будут ошибочными, программа подскажет, что следует сделать, выдав соответствующие рекомендации в строках со светло-зеленой заливкой.

Ниже представлены скриншот программы и формулы для цилиндрической стальной пружины растяжения из круглой проволоки с зацепами в виде отогнутых крайних витков (как показано на рисунке выше).

Внимание!!!

После выполнения расчета по программе выполняйте проверку касательных напряжений!!!

Расчет пружины растяжения в Excel

3. I=(D1/D) -1

4. C1=(78500*D)/(8*I3)

6. S3=tg (A)*π*(D1-D)—D

7. F3=C1*S3

10. Nрасч=(L2—2*D1+3*D)/(D+F2/C1)

12. C=C1/N

13. L0=N*D+2*D1-3*D

14. L3=L0+N*S3

15. F2=C*L2—C*L0

17. F1=C*L1—C*L0

18. Lразв≈π*(N+1,7)*(D1—D)/cos (A)

19. Q= (π*D2/4)*Lразв*7,85/106

Расчет пружины растяжения выполнен. Никогда не растягивайте пружину больше допустимой длины L3! При игнорировании этого правила вы испортите пружину, и останется только выкинуть ее в металлолом.

Всегда интересны ваши мнения, оставленные в комментариях.

Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.

Ссылка на скачивание файла с программой: raschet-pruzhiny-rastyazheniya (xls 131KB).

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Источник

Сила пружины при предварительной деформации, НF 1Принимается в зависимости от нагрузки пружиныСила пружины при рабочей деформации (соответствует наибольшему принудительному перемещению подвижного звена в механизме), НF 3Принимается в зависимости от нагрузки пружиныРабочий ход пружины, ммhПринимается в зависимости от нагрузки пружиныНаибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или разгрузке, м/сv maxПринимается в зависимости от нагрузки пружиныВыносливость пружины, число циклов до разрушенияN FПринимается в зависимости от нагрузки пружиныНаружный диаметр пружины, ммD 1Предварительно принимаются с учетом конструкции узла. Уточняются по таблицам ГОСТ 13766…ГОСТ 13776Относительный инерционный зазор пружины сжатия. Для пружин растяжения служит ограничением максимальной деформацииδ δ = 1 — F 2 / F 3 (1)
Для пружин сжатия классов I и II
δ = 0,05 — 0,25
для пружин растяжения
δ = 0,05 — 0,10
для одножильных пружин класса III
δ = 0,10 — 0,40
для трехжильных класса III
δ = 0,15 — 0,40Сила пружины при максимальной деформации, НF 3

Уточняется по таблицам ГОСТ 13766 ÷ ГОСТ 13776

Сила предварительного напряжения (при навивке из холоднотянутой и термообработанной проволоки), НF 0(0,1 ÷ 0,25) F 3Диаметр проволоки, ммdВыбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776Диаметр трехжильного троса, ммd 1Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776Жесткость одного витка пружины, Н/ммc 1Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776Максимальная деформация одного витка пружины, ммs’ (при F0 = 0)
s» (при F0 > 0)Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776

Максимальное касательное напряжение пружины, МПаτ 3

Для трехжильных пружин

Критическая скорость пружины сжатия, м/сv k

Для трехжильных пружин

Модуль сдвига, МПаGДля пружинной стали
G = 7,85 х 104Динамическая (гравитационная) плотность материала, Н • с2/м4ρ ρ = γ / g,
где g — ускорение свободного падения, м/с2
γ — удельный вес, Н/м3
Для пружинной стали ρ = 8•103Жесткость пружины, Н/ммс

Для пружин с предварительным напряжением

Для трехжильных пружин

Число рабочих витков пружиныn

Полное число витков пружиныn 1

где n2 — число опорных витков

Средний диаметр пружины, ммD

Для трехжильных пружин

Индекс пружиныi

Для трехжильных пружин

Рекомендуется назначать от 4 до 12

Коэффициент расплющивания троса в трехжильной пружине, учитывающий увеличение сечения витка вдоль оси пружины после навивкиΔДля трехжильного троса с углом свивки β = 24° определяется по таблице

i	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	7,0 и более
Δ	1,029	1,021	1,015	1,010	1,005	1,000

Предварительная деформация пружины, ммs 1

Рабочая деформация пружины, ммs 2

Максимальная деформация пружины, ммs 3

Длина пружины при максимальной деформации, ммl 3

где n3 — число обработанных витков

Для трехжильных пружин

Для пружин растяжения с зацепами

Длина пружины в свободном состоянии, ммl 0

Длина пружины растяжения без зацепов в свободном состоянии, ммl’ 0

Длина пружины при предварительной деформации, ммl 1

Для пружин растяжения

Длина пружины при рабочей деформации, ммl 2

Для пружин растяжения

Шаг пружины в свободном состоянии, ммt

Для трехжильных пружин

Для пружин растяжения

Напряжение в пружине при предварительной деформации, МПаτ 1

Напряжение в пружине при рабочей деформации, МПаτ 2

Коэффициент, учитывающий кривизну витка пружиныk

Для трехжильных пружин

22а

Длина развернутой пружины (для пружин растяжения без зацепов), ммl

Масса пружины (для пружин растяжения без зацепов), кгm

Объем, занимаемый пружиной (без учета зацепов пружины), мм 3V

Зазор между концом опорного витка и соседним рабочим витком пружины сжатия, ммλУстанавливается в зависимости от формы опорного виткаВнутренний диаметр пружины, ммD 2

Временное сопротивление проволоки при растяжении, МПаR mУстанавливается при испытаниях проволоки или по ГОСТ 9389 и ГОСТ 1071Максимальная энергия, накапливаемая пружиной, или работа деформации, мДж

Для пружин сжатия и растяжения без предварительного напряжения

Для пружин растяжения с предварительным напряжением

Источник

Расчет винтовых цилиндрических одножильных пружин растяжения и сжатия.

Рассмотрим расчет винтовых цилиндрических одножильных пружин растяжения и сжатия. Основные геометрические параметры винтовых цилиндрических пружин из проволоки круглого поперечного сечения (см. рис. 1):
d — диаметр проволоки;
Dн и D — наружный и средний диаметры пружины;
c=D/d — индекс пружины;
t — шаг пружины;
α — угол подъема витков;
L0 — длина развернутой пружины (без учета зацепов пружины). Податливость пружины прямо пропорциональна ее индексу c. Для увеличения податливости пружины индекс с принимают возможно большим; практически c=4…12.

Значения индекса с пружины принимают в зависимости от диаметра проволоки:

d, мм	< 2,5	3…5	6…12
c	5…12	4…10	4…9

Пружины сжатия

Рис. 1

С увеличением индекса пружины той же жесткости можно сократить ее длину путем увеличения диаметра, а с уменьшением индекса можно уменьшить диаметр пружины путем увеличения ее длины.

виток пружины растяжения или сжатия

Рис. 2

В любом поперечном сечении витка пружины растяжения или сжатия при работе возникают (рис. 2, а) сила F, направленная по осевой линии пружины, и момент М=FD/2, вектор которого перпендикулярен осевой линии пружины. Сила F раскладывается на поперечную F1=F cos α и продольную F2=F sin α силы. При разложении момента М по осевой линии витка пружины и перпендикулярному ему направлению в поперечном сечении проволоки пружины возникают:
крутящий T=FD cos α/2
и изгибающий Ми=FD sin α/2 моменты. Так как угол α<10…12°, то изгибающий момент Ми значительно меньше крутящего Т, а продольная сила F2 значительно меньше поперечной силы F1 но, как показывают расчеты, касательные напряжения сдвига значительно меньше касательных напряжений кручения, поэтому для упрощения расчета пружин на прочность обычно учитывают лишь крутящий момент T, при этом приближенно принимают cos α=1, т. е. T=М=FD/2. Таким образом, расчет винтовой цилиндрической пружины растяжения или сжатия из проволоки круглого поперечного сечения производят по формуле

$tau={8kFD}/(pi d^3)={8kFc}/(pi d^2)<=delim{[}{tau}{]},$

где τ — расчетное максимальное напряжение в поперечных сечениях витков пружины;
[τ] — допускаемое напряжение для проволоки пружины;
k — коэффициент влияния на напряжение кривизны витков и поперечной силы;
F — максимальная растягивающая или сжимающая сила. Формулой пользуются при проверочном расчете пружины, когда ее размеры известны.

Значения коэффициента k принимают в зависимости от индекса пружины:

c	4	5	6	8	10	12
k	1,37	1,29	1,24	1,17	1,14	1,11

напряжение пружин при статических нагрузках

Рис. 3

Допускаемое напряжение [τ] пружин при статических нагрузках можно принимать по графикам (рис. 3), где отдельные кривые относятся к пружинам из проволоки:

1 — вольфрамовой и рояльной;
2 — хромованадиевой;
3 — углеродистой, закаленной в масле;
4 — углеродистой холоднотянутой;
5 — моиель-металла;
6 — фосфористой бронзы;
7 — специальной латуни.

При пульсирующей нагрузке с небольшим числом циклов допускаемые напряжения [τ] следует принимать в 1,25…1,5 раза ниже, чем по графикам.

При проектировочном расчете пружины диаметр проволоки

d=1.6 sqrt{kcF/delim{[}{tau}{]}},

значением индекса с пружины задаются. Диаметр d проволоки, вычисленный по формуле, окончательно согласовывают с соответствующим ГОСТом для пружинной проволоки.

Средний диаметр D пружины и наружный диаметр DH определяют по формулам

D=cd

и
D_H=D+d.

При расчетах различают следующие силы пружины (см. рис. 1 , а, б):
при предварительной деформации — F1
при рабочей деформации (соответствует наибольшему принудительному перемещению подвижного звена в механизме) — F2;
при максимальной деформации «(допускаемой) — F3.
Соответственно в формулах F=F3.

Обычно пружину устанавливают с действующей на нее начальной нагрузкой F1=(0,1…0,5)F2. Максимальная сила пружины F3=(1,05..,1,66)F2. При изменении силы пружины от F1 до F2 жесткость пружины

C=(F_2-F_1)/h,

где h — рабочий ход пружины, значение которого назначают или вычисляют по условиям работы механизма. Жесткость одного витка пружины
$C_1={Gd}/(8c^3),$

где G — модуль сдвига материала проволоки пружины. Для стали G=80000 МПа и, следовательно, для стальной пружины
$C_1={10^4d}/c^3,$

где С1 — в Н/мм; d — в мм.

Число рабочих витков пружины

n=C_1/C

Полное число витков

n_1=n+n_2,

где n2=1,5…2 — число опорных витков.

Деформация пружины

lambda=F/C

Подставив в формулу вместо F силы F1, F2, F3, получим деформации:
λ1 — предварительную,
λ2 — рабочую и
λ3 — максимальную. Максимальная деформация одного витка пружины
lambda prime _3=lambda_3/n

Шаг пружины в ненагруженном состоянии:
для пружины сжатия

t=lambda prime _3 +d;
для пружины растяжения
t=d.

Высота пружины при максимальной деформации

L_3=(n_1 +1-n_3)d,

где n3 — число зашлифованных витков. Высота пружины в свободном состоянии для пружины сжатия
L_0=L_3+ lambda_3;

для пружины растяжения
L_0=(n_1 +1)/d.

Высоту пружины при предварительной и рабочей деформации легко определить из (рис. 1, а, б). Длина развернутой пружины (без учета зацепов пружины растяжения)

L approx 3.2D_0 n_1

Более подробный геометрический расчет винтовых цилиндрических пружин сжатия и растяжения из стальной проволоки круглого сечения дан в ГОСТ 13765-68.

Расчет винтовых цилиндрических одножильных пружин кручения.

Рассмотрим расчет винтовых цилиндрических одножильных пружин кручения. При работе пружины кручения в поперечных сечениях витков возникает момент М (см. рис. 3, б), равный внешнему моменту, закручивающему пружину, вектор которого направлен вдоль осевой линии пружины. При разложении момента М по осевой линии витка пружины и перпендикулярному ему направлению в поперечном сечении витка пружины возникают крутящий T=M sin α и изгибающий Ми=М cos α моменты. Так как изгибающий момент Ми значительно превышает крутящий момент Т (обычно угол α<12…15°), то пружины кручения рассчитывают только на изгиб по изгибающему моменту, при этом приближенно принимают Ми=M.

Таким образом, расчет винтовой цилиндрической пружины кручения из; проволоки круглого сечения производят на изгиб по моменту М, закручивающему пружину:

$sigma_и={kM}/(0.1d^3)<=delim{[}{sigma_и}{]},$

где σи — расчетное максимальное напряжение на изгиб в поперечных сечениях проволоки пружины;
[σи] — допускаемое напряжение на изгиб проволоки пружины;
k — коэффициент влияния кривизны витков. Рекомендуется принимать

$delim{[}{sigma_и}{]}=1.25delim{[}{tau_k}{]}.$

Коэффициент влияния кривизны витков

k=(4c-1)/(4c-4),

где c=D/d — индекс пружины, принимаемый в зависимости от диаметра проволоки.

Формулой

$sigma_и={kM}/(0.1d^3)<=delim{[}{sigma_и}{]},$

пользуются при проверочном расчете пружины, когда ее размеры известны. При проектировочном расчете пружины диаметр проволоки
$d=2.16 root{3}{{kM}/delim{[}{sigma_и}{]}}.$