弹簧设计

米兰的小铁匠

首先要拿到工况需求，包括装配空间，预紧力，工作段内不同压缩量的载荷要求。再就是寿命要求和一段典型工况的载荷谱（或者压缩量随时间的关系）。还有温度，腐蚀这些。

先按定刚度的圆柱弹簧进行设计，行不通再考虑变刚度或者锥形弹簧，不规则的形态计算更复杂。

确定初步参数：线径，直径，有效圈数，长度，材料。先在标准范围内选取，初步确定满足工况空间和受力要求的尺寸。静态条件下的很多参数就出来了，弹簧旋绕比，压并长度，自由长度，工作段内的刚度，应力修正系数，工作段最大应力，压并应力等。

弹簧工作是个动态过程，反复压缩，最终疲劳失效。算出最大和最小工作应力才能得到应力循环，继而计算寿命。需要把两端来回窜动的不同频率，幅值，相位的应力波捋清楚了，叠加起来，建一个复杂的模型，输出最大动态应力和最小动态应力。

怎么评估这个模型是否准确，可以做一个盘形凸轮来模拟驱动曲线。凸轮轮廓是一系列不同频率的正弦波叠加出来的，用这个凸轮压缩弹簧，让凸轮转速按一定梯度上升，于是凸轮轮廓的各高频分量会逐个逼近并超过弹簧固有频率，弹簧贴应变片，应变片需要贴对位置，提前就要计算好，采集不同凸轮转速对应的弹簧应力。把最大应力和最小应力提取出来，这样在转速-应力图表上能明显看到两条应力曲线，随转速上升，最大应力逐渐上升，最小应力呈下降趋势，转速越高动态效应越大啊，应力曲线每隔一段距离会有陡然升降，说明在这个转速下某一正弦分量频率达到了弹簧固有频率了。把模型计算值和实测值叠在一起，就看出来模型的精度。超过一个转速看到明显偏差，想到阻尼和弹簧的端部效应，再去修正。

有些弹簧一端是自由的，带一个质量块，比如液压阀的弹簧，这是另外一种模型了，包括弹簧固有频率的计算都不同。这些模型我都写成码，再写正弦波叠加的凸轮轮廓模型，也就是驱动曲线，用来驱动弹簧。这些模型组合在一起，成为一个钮。把弹簧参数输进去，再创建一个不同频率正弦波叠加的驱动曲线，输出需要解算的各参数和图形。哪个纵向位置处应力最大，哪个频率激振了弹簧，就都清晰了。

准确计算了最大和最小动态应力，还需要材料数据来评估寿命。材料可以国内钢厂做，但要满足标准，拔丝掐头去尾，涡流探伤，有问题段做标记，列出性能参数，夹杂水平，偏析，晶粒度，脱碳，表面缺陷，涡流探伤报告，钢厂提供质保书。标准材料有些有公开的古德曼曲线图，把最大，最小应力代入，取得寿命数据。不过，弹簧绕制后的热设定，抛丸都对疲劳有影响，有条件还是自己做实验获取古德曼数据。

古德曼里的最大最小应力基于弹簧是固定压缩长度，也就是均值应力基本不变，但有些弹簧压缩是深一下，浅一下，压缩段是变化的，最大/最小应力不规则。那咋办呢。

还可以用维勒曲线，应力损伤累积，没有触及维勒曲线就是安全的。前面工况要求有一段典型的载荷谱，按寿命目标延展到整个生命周期的弹簧循环次数。从大到小列出应力，再统计每一个应力下的循环次数。和齿轮的load spectrum一个模式，哈。不过这里的应力可不是弹簧的最大动态应力，需要折算，弹簧的最大和最小应力是非对称循环的。齿轮的应力就不需要折算，但是循环计数更麻烦些。

以上，通过计算分析，获得一个匹配工况和寿命要求的弹簧设计。后面就可以加工制造，再实验验证了。

弹簧厂评估你这些设计参数能不能做的出来，哪些参数还需要微调。定具体的工艺参数，绕制+回火，端部处理，抛丸+回火，热固，过程检测这些。绕制看不同压缩状态下节距的均匀性，死圈和有效圈的过渡形态。抛丸和热固都是要表面形成一圈残留应力，抛丸评估弧深和覆盖率，热固要确定压缩到什么状态，在多少温度下保持多久。这些都影响疲劳。

做出一批弹簧，上实验机跑，统计失效率，循环次数。失效符合微布尔分布啊，两参数或三参数，列出失效分布图。对所有失效件分析断口，找裂纹起始位置，如果是夹杂，打出成分，再从冶炼上对应处理。这时候各路人马聚齐，都带着各自的材料方面的人，还有第三方顾问，讨论怎么提高寿命，有哪些手段，各方还能加严控制到什么水平。

原材料主要是想办法处理洁净度和表面缺陷。洁净度只能靠钢厂自己从各个环节控制，夹杂的大小，分布，批量的稳定性。或者上特殊熔炼手段，比如电渣重熔，或者真空电弧重熔。如果你的批量小，钢厂不会特别伺候。表面缺陷用涡流探伤来检，有些表面压痕在拔丝的时候弥合了一下，可能就逃过了涡流探伤。后面再加一道工序，把表面材料剃掉一层。对簧丝做扭转，折弯，缠绕实验。

材料达到了要求，后面就是弹簧厂的工艺了。从提高疲劳寿命的角度看，主要是喷丸和热固工艺。都是为了在表面形成一层残余应力，抵消工作时的表面最大剪切力。X光衍射测残余应力，测量角度别弄错了。喷丸喷几次，各是多大的丸粒，冷固行不行，压到哪个长度，多少时长？不同的工艺组合对应的寿命不同，需要一系列对比实验。

对比实验要快速出来结果，就要施加比工况更大的应力循环。要么增大工作段，也就是压缩长度加大，要么维持工作段长度，但要更改弹簧自由长度和圈数。得看具体应用来定。

实验，分析，改进，迭代到满足寿命需求，设计和工艺参数锁定，就批量生产了。积累生产和应用数据，后面再有类似设计需求，以这个弹簧为基准，看哪些参数有偏离，再有针对性的计算和实验。

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已经上道儿70%程度，有一碗饭吃是没有任何问题的，余下就是精细化，需要学完冶炼与轧钢

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大侠牛逼