扭簧受力分析及寿命预测问题

扭簧的有效圈数扭簧是一种常见的机械弹簧，广泛应用于各种机械和工业设备中。

扭簧的有效圈数是指扭簧在加载和卸载过程中，能够提供恢复力的圈数范围。

在设计和计算扭簧时，了解和确定扭簧的有效圈数非常重要，因为它直接影响到扭簧的性能和使用寿命。

扭簧的有效圈数与其材料、几何尺寸、工作条件等因素密切相关。

当扭簧受到外力扭曲时，只有在一定的圈数范围内，才能产生恢复力并保持弹性。

在有效圈数范围之外，扭簧将失去弹性并无法恢复形状，这将导致扭簧的功能失效。

要确定扭簧的有效圈数，需要考虑以下因素：1. 弹性极限：扭簧的材料有其特定的弹性极限，即材料可以承受的最大应变。

超过弹性极限后，材料将发生塑性变形，失去弹性，从而使扭簧失去恢复力。

因此，有效圈数应小于材料的弹性极限对应的应变圈数。

2. 工作负荷：扭簧的有效圈数与其工作负荷相关。

当扭簧受到额定负荷时，每个圈数所产生的恢复力都必须在设计要求的范围内。

过高或过低的负荷都会导致扭簧失去弹性或超过其弹性极限，从而影响扭簧的有效圈数。

3. 动作次数：扭簧的有效圈数也与其所需的动作次数有关。

当扭簧频繁地进行往复运动时，每个圈数的应变和应力都会累积，可能超出扭簧的弹性极限。

因此，对于需要频繁使用的扭簧，有效圈数需要更加保守地确定。

4. 材料硬度：扭簧的材料硬度也会影响其有效圈数。

较硬的材料通常具有更高的弹性极限和更大的恢复力，因此可以使用较少的圈数。

相反，较软的材料可能需要更多的圈数才能提供相同的恢复力。

为了确定扭簧的有效圈数，通常需要进行弹簧设计和计算。

在设计阶段，需要考虑上述因素并进行分析，以确保扭簧能够在预期的工作条件下提供所需的恢复力和弹性。

常用的设计工具包括弹簧计算软件和手册，可以帮助工程师快速准确地计算出扭簧的有效圈数。

总结起来，扭簧的有效圈数是指扭簧在加载和卸载过程中能够提供恢复力的圈数范围。

确定扭簧的有效圈数需要考虑材料的弹性极限、工作负荷、动作次数和材料硬度等因素。

扭簧寿命计算公式(一)
扭簧寿命相关计算公式
1. 扭簧的寿命公式
针对扭簧的寿命计算，常用的公式是弗林克公式（Fink Formula）或公式（Paulson-Huber Formula）。

弗林克公式：
[ N_f = d^a D^m ]
其中，(N_f) 是扭簧的寿命（循环次数），(K) 是常数，(_s) 是应力幅（应力振幅），(a) 是平均应力，(b) 是应力幅指数，(k{hm}) 是材料参数，() 是可靠度基数，(G) 是刚度，(d) 是钢丝直径，(D)
是扭簧直径，(a) 和 (m) 是指数。

2. 扭簧寿命的解释示例
假设某扭簧的参数如下：
•钢丝直径 (d) = 2mm
•扭簧直径 (D) = 20mm
•应力振幅 (_s) = 200MPa
•平均应力 (_a) = 150MPa
•系数 (K) =
•应力幅指数 (b) =
•材料参数 (k_{hm}) =
•可靠度基数 () =
•刚度 (G) = 8 GPa
•指数 (a) = 10
•指数 (m) = 3
带入以上参数，我们可以计算该扭簧的寿命 (N_f)。

根据弗林克公式：
[ N_f = (2)^{10} (20)^{3} ]
经过计算，得到该扭簧的寿命 (N_f ^7)。

因此，该扭簧的寿命约为 8640 万个循环次数。

结论
本文介绍了扭簧寿命的计算公式，以及通过一个示例解释了公式的具体应用。

通过这些公式的计算，可以预测扭簧的使用寿命，为扭簧的设计和使用提供依据。

影响扭簧疲劳的关键因素我们在加工扭簧时，必须要考虑几个影响它寿命的重要因素：一、原料的钢号和产地。

弹簧钢的种类有很多，其中抗疲劳性能较好的钢号有：重要用途碳素弹簧钢丝（如琴钢线，T9A等）、油淬火-回火弹簧钢丝（如VDCrSi）、合金弹簧钢（50CrVA）；这些材料的抗疲劳特性是值得肯定的，一般小于2.0mm直径的弹簧，我们多采用重要用途碳素钢，大于2.0mm直径的弹簧，一般采用后两种材料。

另外，除了钢号的选择，钢材自身的产地也是相当重要的，国内钢材比较好的有宝钢、武钢等知名钢厂；国外也有非常优秀的弹簧钢，如德国、日本和韩国等国家生产的弹簧钢，首先设计或制造一种扭簧，其疲劳寿命至关因素即是胚料。

二、加工工艺谈到加工工艺，首先应考虑到成形技术、退火工艺和喷丸强度，另外还可以增加一些辅助工序，如添加润滑油等。

成形技术方面，现在应用比较广泛的是有芯卷制，可以参阅《弹簧手册》，里面有细致的介绍，其中成形设备也是相当关键，个人觉得转线机这种设备制作扭簧是非常理想的设备，主要原因是它在成形扭簧时，可以同步弹簧线向旋转，我们一般弹簧成形设备，送线和卷制是分开控制的，所以在成形时，无法解决弹簧线扭转，如果是圆线，还勉强可以成形，若是方线或非圆形线材，是无法成形扭簧的。

重点问题是，这种能同步线向旋转的转线机，更能减少成形对线材内部结构的伤害，从而保证成形出的扭簧寿命更加长一些。

三、退火温度与时间。

退火，是一种消除扭簧内部应力的工艺方法，它的作用效果主要有温度和时间两个因素决定。

由于扭簧经弹簧机外力作用成形，其内部应力失去平衡，我们需借用退火工艺来消除它内部的大部分应力，对扭簧的性能也起优化作用。

当然，退火工艺不仅仅是这么简单，对于不同钢号、不同钢胚和不同直径的弹簧钢，都需要用不同的退火温度和时间，我们在定温度和时间的时候，首先要接近钢材拉线后的退火温度，而时间一般不用太久，一般都在10-40分钟内，具体看弹簧线直径大小。

旋转弹簧类问题的分析技巧一、问题分析解决旋转弹簧类问题首先需要对问题进行全面的分析。

具体包括考虑以下几个方面：1.系统模型：明确问题中涉及到的旋转弹簧和其他物体的模型。

对于旋转弹簧，需要确定其结构、形状、刚度等参数。

2.受力分析：确定外力和作用力。

分析问题中作用在旋转弹簧上的各种力，如拉力、压力、重力等。

3.约束条件：分析系统内各个物体之间的约束关系。

考虑旋转弹簧与其他物体之间的接触、分离等约束关系。

4.运动方式：分析问题中的运动方式，包括回转、摆动、振动等。

确定旋转弹簧的运动状态和变化规律。

二、弹簧的刚度及力学特性分析在解决旋转弹簧类问题时，需要了解弹簧的刚度及其力学特性。

具体分析如下：1.弹簧刚度：弹簧的刚度决定了它对力的变形程度。

刚度越大，弹簧变形越小，反之亦然。

通常用弹性系数（弹簧常数）来表示。

2.弹簧力学特性：弹簧具有负载变形的特性，即当外力作用在弹簧上时，弹簧会发生变形，并产生一个恢复力，该恢复力与变形程度成正比。

3.力-位移关系：分析弹簧的力-位移关系，即外力与弹簧变形之间的关系。

一般情况下，采用胡克定律来描述弹簧的力学特性，即F=K∆x，其中F为弹簧的恢复力，K为弹簧刚度，∆x为弹簧变形量。

三、平衡和受力分析在解决旋转弹簧类问题时，需要进行平衡和受力分析，以确定系统的平衡状态及受力情况。

具体分析如下：1.平衡状态：分析问题中的平衡状态，即物体所处的平衡位置和角度。

根据问题的具体条件，确定旋转弹簧的平衡位置和角度范围。

2.受力分析：分析旋转弹簧所受力的大小、方向和作用点。

考虑外力、弹簧的力和其他物体对旋转弹簧的作用力等。

3.平衡条件：根据平衡问题的具体条件，利用受力分析得出的力平衡方程或力矩平衡方程，解方程得到平衡条件。

四、运动分析在解决旋转弹簧类问题时，需要对旋转弹簧的运动进行分析。

具体分析如下：1.运动方程：根据问题的具体条件，建立旋转弹簧的运动方程。

根据问题所涉及的物体、约束条件和受力情况，建立力学模型，并利用牛顿定律等基本原理，得到旋转弹簧的运动方程。

扭簧受力分析及寿命预测问题扭簧受力分析与应力松弛问题弹簧是一种广泛使用的机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作中产生变形，把机械功转变为变形能；反之，把变形能转变为机械功或动能。

由于这种特性，它适用于：1）缓冲或减振，如破碎机的支承弹簧和车辆的悬架弹簧等；2）机械储能，如钟表、仪表和自动控制机构上的原动弹簧；3）控制运动，如汽门、离合器、制动器和各种调节器上的弹簧；4）测力装置，如弹簧秤和动力计上的弹簧。

除此之外，在机械设备、仪表、日用电器以及生活用具上也有着各式各样的弹簧元件。

弹簧的破坏或任何形式的失效将使机组出现不同程度的故障，甚至诱发机毁人亡的恶性事故，造成重大损失。

而“应力松弛”是影响弹簧或弹性元件质量、寿命诸多因素中的核心问题。

应力松弛是指在恒应变条件下，金属材料或元件的应力随时间延续而减小的现象。

深入研究弹簧材料应力松弛性能的变化规律、寻求有效的预防技术，对提高基础件的质量、延长它们的使用寿命、节约特殊钢及合金的消耗、使整套设备运行时安全可靠、充分发挥其生产效率等，都有重要的技术经济意义。

弹簧品种、材料及结构形式各式各样，加工方法也十分繁多，因此对弹簧的应力松弛分析必须针对于具体的类型和具体的使用条件而定。

本问题主要针对于弹簧的一个重要的类型——扭簧做做相应的数学建模及分析。

对扭簧而言，基本形状也较多，见附件1的示意图。

现有某一型号的扭簧，示意图参见附件2，其工作原理示意图可参见附件3，要求：对该扭簧在多种工作状态下的受力情况进行数学建模分析，通过材料力学、热力学、动力学等相关学科的专业背景知识，分析弹簧应力松弛机理，找出弹簧受力状态与其寿命的解析表达式。

包括（1）静载荷及扭角一定的条件下，扭簧所受扭力的计算分析的数学模型。

（2）动态载荷下（分为周期载荷和冲击载荷）及扭角一定的条件下，扭簧所受扭力的动态变化的数学模型。

（3）扭簧所受扭力与引起其失效的应力松弛的数学模型。

（4）扭簧的受力状态与其疲劳寿命的数学模型。

扭转弹簧参数咱今儿个就来唠唠这扭转弹簧参数的事儿。

别看这玩意儿不起眼，它可真是机器里的小能手，啥时候该用力，啥时候该松手，全靠它了。

就像你我这样的老朋友，聚会的时候总得有人负责活跃气氛吧？这扭转弹簧就是那个活跃分子。

说起这扭转弹簧的参数，头一个就是它的长度。

想想看，咱俩要是出去散步，你走得快，我走得慢，那这步调可就乱了套。

扭转弹簧也是一样，长度不够，弹力就跟不上，机器就得打嗝儿。

记得我那老表哥，他个子不高，总是抱怨自己够不着高处的书架。

扭转弹簧也一样，长度太短了，就跟老表哥一样，够不着目标，工作效率就低了。

再来说说这弹簧的直径。

直径就像是人的腰围，腰围大了，弹性就差了。

记得我那老邻居大妈，腰围大了以后，跳广场舞都跳不动了。

扭转弹簧的直径也是一样的道理，粗了，弹力就跟不上，机器运转起来就跟大妈跳舞一样，慢吞吞的。

弹簧圈数，这可是一个关键参数。

圈数太少，弹力不够，跟那没吃饱饭的孩子一样，干啥都没劲儿。

圈数太多呢，又跟那贪吃的胖子似的，动不动就累得气喘吁吁。

记得我那小侄子，刚学会走路的时候，腿短得像个小陀螺，摇摇晃晃的，圈数太少了，弹力不足，机器也是一样，运转不稳。

弹簧材料，这可是个大问题。

就像做饭，食材好，菜才好吃。

记得我那老妈子，总是说食材新鲜，饭菜才香。

弹簧材料也一样，好的材料，弹性好，耐用性强。

想想看，要是你买了双劣质的鞋子，穿不了几天就开裂了，那多闹心啊？弹簧的硬度，这也是个不容忽视的参数。

硬度太大，弹簧就跟那石头似的，弹性全无。

记得我那老朋友老王，性格硬得像石头，啥事儿都得自己扛，结果累得像条狗。

扭转弹簧也一样，硬度太大，机器运转起来就跟老王似的，累得不行。

弹簧的弹性极限，这可是一个考验。

就像人一样，弹性极限就是你能承受的最大压力。

记得我那老同学小李，压力太大，差点崩溃了。

弹簧也一样，超过了它的极限，就跟小李似的，崩了。

扭转弹簧的扭矩，这可是一个精细活儿。

就像你我这样的老朋友，聚会的时候总得有人负责调节气氛，扭矩就是那个调节器。

基于ANSYS Workbench的扭转弹簧疲劳寿命分析时宏森】，杨涛1，唐超】，蔡大静】，陈强2(1.贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550081$.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州贵阳550081)摘要：扭转弹簧是一种利用材料的弹性来工作的机械零件，一般用弹簧钢制成，是一种机械蓄力结构,用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、存储和释放能量、测量力的大小等，广泛应用于坦克、汽车、摩托车、收割机等地面装备的传动扭力杆及减震结构。

扭转弹簧属于螺旋弹簧，扭转弹簧的端部被固定在其他组件上,当其他组件绕着弹簧中心旋转时,弹簧产生扭矩或旋转力，有将它们拉回到初始位置的趋势。

根据应用要求，可以设计扭转弹簧的旋向(顺时针或逆时针),弹簧的末端可绕成钩状或直扭转臂。

弹簧的工作寿命一般在104〜105以上，一般来说属于长寿命机械零件，失效模式属于高周疲劳。

基于有限元软件ANSYS Workbench仿真分析某扭转弹簧的疲劳寿命，并结合实物试验进行对比分析，验证理论计算的准确性，形成一套疲劳寿命计算方法。

关键词：疲劳；寿命；扭转弹簧；仿真；实物试验;ANSYS Workbench中图分类号:V19文献标志码：AFatigue Life Analysis of Torsion Spring based on ANSYS WorkbenchSHI Hongsen】,YANG Tao1,TANG Chao1,CAI Dajing1,CHEN Qiang2(1.Guizhou Aerospace Linquan Motor Co.,Ltd.,Guiyang550081,China； 2.National Engineering ResearchCenter for Small and Special Precision Motors,Guiyang550081,China) Abstract:Torsion spring was a kind of mechanical part which used the elasticity of material for working.It was gener-aly madeofspringsteelandwasakindofmechanicalstoragestructure whichwasusedtocontrolthemovementofthema-chineparts mitigatetheimpactorvibration storeandreleaseenergy and measure the force Soitwaswidelyusedinthe transmissiontorsionbaranddampingstructureoftank automobile motorcycle harvesterandothergroundequipment Torsionspringbelongedtocoilspring andtheendoftorsionspring wasfixedtoothercomponents Whenothercompo-nentsrotatedaroundthespringcenter thespringproducedtorqueorrotationforce which tended to pul them back to the originalposition Accordingtotheapplicationrequirements therotationdirectionofthetorsionspringcouldbedesigned (clockwiseorcounterclockwise)andtheendofthespringcouldbewoundintoahookorastraighttorsionarm Generaly speaking,the working life of spring was more than104〜105.It belonged to long-life mechanical parts,and the failure modebelongedtohighcyclefatigue BasedonthefiniteelementsoftwareANSYS Workbench thefatiguelifeofatorsion spring wassimulatedandasetoffatiguelifecalculation method wasformedbycomparingandanalyzingtheactualtestto verifytheaccuracyoftheoreticalcalculationKeywords:fatigue life torsionspring simulation actualtest ANSYS Workbench疲劳寿命试验是一项耗时、耗资的大型试验,时间周期长、子样数量大、数据处理复杂是疲劳寿命试验的主要特点,对机械产品的每一个零件都开展疲劳寿命试验显然是不现实的’根据材料疲劳理论,结合电子计算机及有限元技术的发展,可以通过虚拟仿真试验确定产品零件的疲劳寿命。

Φ5.5扭簧断裂失效分析报告一、基本情况收到从客户处带回1套已断裂二段弹簧，断裂弹簧材料为VDCrSi油回火合金弹簧钢丝，该弹簧在客户处疲劳试验16万次左右发生断裂，要求30万次不发生断裂。

二、试验分析1.断裂弹簧实物照片斷裂位置在直臂至弹簧约1.25圈处。

2.断口宏观分析在离断裂处一定位置截取一段，对断口进行清洗，在体视显微镜下观察，断口的形貌如下：根据断口特征找出断裂源区，再对裂纹源区仔细观察，断裂源由原表面拉丝所造成。

3.显微硬度测试分析在断裂簧附近取硬度块进行显微维氏硬度测试，测试取点示意图如下右图，试验载荷1000gf力，实测HV1.0/HRC，测试结果如下左表。

从测试结果看，硬度比较均匀，平均硬度为HV485，对应的HRC48.5，查得对应的弹簧材料的抗拉强度相当于1663Mpa，符合GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》中VDCrSi的抗拉强度1620-1770Mpa要求。

4.化学成分分析5.脱碳层分析为进一步明确弹簧断裂原因，在断口附近取样，在金相显微镜下观察表面无脱碳层，见图a6.金相组织分析7.金相分析对断裂口B侧进行金相分析（×500倍）：外侧有明显褶皱层，内侧无明显褶皱层。

且断簧外侧表面有损伤形态。

断裂源位于弹簧钢丝外侧，有明显褶皱层，内侧无明显褶皱层。

由于高强度材料对表面缺陷较为敏感，在高应力状态下易造成早期疲劳断裂。

褶皱层的产生，一般来说原因有两种：材料拉丝过程中产生、过度喷丸产生。

经应力测试，从残余应力分布来看，喷丸基本正常可以排除。

初步推断材料表面局部受力损伤产生了褶皱层。

8.非金属夹杂物分析非金属夹杂物100×按GB/T10561-2005标准检测结果见如上图所示，硫化物类级别评为A0.5，球状氧化物类别评为D0.5。

整体评价：夹杂物不明显，GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》对非金属夹杂物要求。

三、弹簧断裂原因分析1、从弹簧金相组织，表面脱碳，化学成分，显微硬度等分析结果均为正常。

Φ5.5扭簧断裂失效分析报告作者：陈荣敏来源：《E动时尚·科学工程技术》2019年第11期一、基本情况收到从客户处带回1套已断裂二段弹簧，断裂弹簧材料为VDCrSi油回火合金弹簧钢丝，该弹簧在客户处疲劳试验16万次左右发生断裂，要求30万次不发生断裂。

二、试验分析1.断裂弹簧实物照片断裂位置在直臂至弹簧约1.25圈处。

2.断口宏观分析在离断裂处一定位置截取一段，对断口进行清洗，在体视显微镜下观察，断口的形貌如下：根据断口特征找出断裂源区，再对裂纹源区仔细观察，断裂源由原表面拉丝所造成。

3.顯微硬度测试分析在断裂簧附近取硬度块进行显微维氏硬度测试，测试取点示意图如下右图，试验载荷1000gf力，实测HV1.0/HRC，测试结果如下左表。

从测试结果看，硬度比较均匀，平均硬度为HV485，对应的HRC48.5，查得对应的弹簧材料的抗拉强度相当于1663Mpa，符合GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》中VDCrSi 的抗拉强度1620-1770Mpa要求。

4.化学成分分析5.脱碳层分析为进一步明确弹簧断裂原因，在断口附近取样，在金相显微镜下观察表面无脱碳层，见图a6.金相组织分析7.金相分析对断裂口B侧进行金相分析（×500倍）：外侧有明显褶皱层，内侧无明显褶皱层。

且断簧外侧表面有损伤形态。

断裂源位于弹簧钢丝外侧，有明显褶皱层，内侧无明显褶皱层。

由于高强度材料对表面缺陷较为敏感，在高应力状态下易造成早期疲劳断裂。

褶皱层的产生，一般来说原因有两种：材料拉丝过程中产生、过度喷丸产生。

经应力测试，从残余应力分布来看，喷丸基本正常可以排除。

初步推断材料表面局部受力损伤产生了褶皱层。

8.非金属夹杂物分析非金属夹杂物100×按GB/T10561-2005标准检测结果见如上图所示，硫化物类级别评为A0.5，球状氧化物类别评为D0.5。

整体评价：夹杂物不明显，GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》对非金属夹杂物要求。