压缩弹簧的优化设计

一、工作参数：

最大工作负荷Pn=4N

最小工作负荷P1=3.8N

弹簧在阀腔内安装高度h=8.6mm

由最小工作负荷P

1到最大工作负荷P

n时，可调的工作行程h=0.3mm

说明：工作行程h即是安全阀打开区间F1--Fn之间的行程。F1--Fn为安全阀打开的最小力与最大力。

二、选材：

不锈钢：Ni42CrTi计算时按Ⅱ类弹簧考虑。

查表11-1-2,得：[τp]=412Mpa=412N/mm2

G=61Gpa=61000N/mm2

*通过P-13安全阀弹簧实际测量计算，G调整取：61，理论值为：65.6

三、查表6-1,初选旋绕比C=6

曲度系数K=(4*C-1)/(4*C-4)+(0.615/C)=1.25

四、计算簧丝直径：

d≥1.6*(((P

n*K*C)/[τp])^(1/2))=0.432mm调整取d=0.4mm

五、中径：内径=2.6mm外径=

D2=C*d=2.4mm调整取D2=3mm

六、工作圈数：

初算最大工作负荷下的变形Fn'=Pn/P''=6mm

初算n'=(G*d^4*Fn')/(8*P

n*D

2^3)=10.8圈调整取n=10.5mm

七、有关几何参数：

初算节距t=d+(F

n/n)=1mm，一般取t=(D/3~D/2)调整取t=1.23mm

端部并紧不磨平，取支承圈n

2=1圈

即为了使弹簧受力后变形均匀,弹簧两端尖端处最好错位180度,推荐n0以0.5为尾数.

总圈数n

1=n+2*n

2=12.5圈

自由高度H

0=n*t+3*d=14.1mm

并紧高度H

b=(n+3)*d=5.4mm

螺旋角α=arctag(t/(3.14*D

2))=0.13弧度=7.45度，推荐a=(6~9度)

展开长度L=l*n

1=(((3.14*D

2)^2+t^2)^(1/2))*n

1=118.7mm

八、验算稳定性：

高径比b=H

0/D

2=4.7<5.3故稳定（两端固定）。

九、校核最大工作负荷Pn下的变形量：

初算并紧载荷P

b′=P

n/0.8=5N，工作极限负荷(并紧时)Pj=6N，与Pb'接近，符合

第３４卷第６期　南京理工大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．６　２０１０年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅ！　！ｌ０　！　！　！　！！　：　Ｑ　

某旋转药室火炮卡弹机构弹簧优化设计　

赵瑞学，钱林方，陈龙淼，田建辉　

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４）　

摘　要：为减小某旋转药室火炮卡弹机构卡弹爪、挡块与炮弹之间的接触力，延长其使用寿命，　建立了炮弹进膛卡弹的运动微分方程，对３个压缩弹簧进行了优化设计。以压缩弹簧的弹簧中　

径、弹簧钢丝直径、工作圈数、预变形量及安装高度作为设计变量，用乘除法对该机构的弹簧力　最小和弹簧重量最轻的多目标问题进行了归一化处理。以正确卡弹定位和弹簧设计要求作为　约束条件，通过优化计算获得了最优结果。相对原设计参数，优化计算结果中３个压缩弹簧的　最大弹簧力分别降低了２３．１％、１９．８％、３４．６％，弹簧质量分别减小了５８．９％、４２．０％、７７．８％。　

关键词：旋转药室；火炮；卡弹机构；弹簧；优化设计；归一化方法　中图分类号：ＴＪ　３０３．３　文章编号：１００５—９８３０（２０１０）０６—０７７５—０６　

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ　Ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　

Ｓｐｒｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｇｕｎ　ｗｉｔｈ　Ｒｏｔａｔｉｎｇ　Ｃｈａｍｂｅｒ　

ＺＨＡＯ　Ｒｕｉ—ｘｕｅ，ＱＩＡＮ　Ｌｉｎ—ｆａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｌｏｎｇ—ｍｉａｏ，ＴＩＡＮ　Ｊｉａｎ—ｈｕｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＳＴ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｈｅＨ　ａｎｄ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｐａｗｌ，ｓｈｅｌｌ　ａｎｄ　ｈｏｌｄ－ｄｏｗｎ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　

弹簧的参数设计

1﹑弹性系数﹕k=(Gd4)/(8D23n) N/m;

k=(Gd4)/(8D23n*9.8) g/mm;

其中﹕G为材料的切变模量 (不锈钢1Cr18Ni9Ti的切变模量为71.6Gpa ) ﹔

d为材料直径(线径) ﹔

D2为弹簧中径﹔

n为有效圈数﹔

2﹑总圈数n1﹕压缩弹簧﹕n1=n+(2~2.5) 冷卷﹔

n1=n+(1.5~2) YII型热卷﹔

3﹑节距p﹕ 压缩弹簧﹕p=(0.28~0.5) D2﹔

4﹑间距f﹕ f=p-d;

5﹑自由长度H0﹕压缩弹簧﹕两端圈磨平

n1=n+1.5时﹐H0=pn+d﹔

n1=n+2时﹐H0=pn+1.5d﹔

n1=n+2.5时﹐H0=pn+2d﹔

两端圈不磨

n1=n+2时﹐H0=pn+3d﹔

n1=n+2.5时﹐H0=pn+3.5d﹔

5﹑压缩弹簧高径比b﹕b=H0/ D2﹔

6﹑工作长度 H n ﹕压缩弹簧﹕H n= H0-fn , f n为工作变形量﹔

7﹑扭簧的弹性系数(刚度) ﹕

k=(Ed4)/(3667D2n) N‧mm/(°)

其中 E﹕材料的弹性模量﹔

d﹕线径﹔

D2﹕弹簧中径﹔

n﹕有效圈数﹔

D2和n指弹簧密匝的参数。

8﹑扭簧的旋绕比﹕C=D2/d

1

2

3就会快乐，就会让微笑发自心底，灿烂在脸上。

4、千万不要因为自己已经到了结婚年龄而草率结婚。想结婚，就要找一个能和你心心相印

相辅相携的伴侣。不要因为放纵和游戏而恋爱，不要因为恋爱而影响工作和事业，更不要因一桩草率而失败的婚姻而使人生受阻。感情用事往往会因小失大。

5、你要从现在开始，微笑着面对生活，不要抱怨生活给了你太多的磨难，不要抱怨生活中

有太多的曲折，不要抱怨生活中存在的不公。当你走过世间的繁华与喧嚣，阅尽世事，你会幡然

明白：人生不会太圆满，再苦也要笑一笑！

6、不要让灰色的乌云笼罩一辈子，生命中还有很多美好的不要让其遮盖，不要因为一片乌云毁了一切，人生中还有很多可以去把握。

第３Ｏ卷第３期　２０１０年６月　铁道机车车辆　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ　Ｖｏ１．３Ｏ　ＮＯ．３　Ｊｕｎ．　２０１０　

文章编号：１００８—７８４２（２０１０）０３—００２５—０２　

基于疲劳应力法的车辆双圈螺旋钢弹簧优化设计　

陈长健　

（南车南京浦镇车辆有限公司　转向架车间，江苏南京２１００３１）　

摘　要针对机车车辆双圈螺旋压缩钢弹簧的结构特点和运用现状，提出了基于材料疲劳特性的弹簧优化设计方　

法，以某型转向架用一系双圈弹簧组为例，通过传统的弹簧设计对比计算，并经试验验证，表明所建立的弹簧优化　

设计模型是更趋合理的，为工程实践提供了有效的解决方案。　

关键词弹簧；疲劳应力；优化　

中图分类号：Ｕ３３１　．４　文献标志码：Ａ　

螺旋压缩钢弹簧在机车车辆一、二系悬挂系统中得　

到了广泛地应用，其对减少和隔离构架与车体之间的振　

动，保证车辆的运行平稳性和安全性，起着重要作用。　

然而，由于弹簧的设计参数较多，传统的计算方法非常　

繁琐复杂，需要反复修正。为此，提出了基于弹簧材料　

疲劳应力的设计方法，以某型转向架一系悬挂系统用双　

圈螺旋弹簧为例，优化设计该弹簧组结构参数，并通过　

试验验证了其疲劳强度。　

１数学模型　

１．１　弹簧的许用疲劳应力　

弹簧的许用疲劳应力取决于弹簧材料的机械性能、　

陈长健（１９７６）男，江苏仪征人．工程师（收稿日期：２Ｏ１Ｏ—Ｏ１～１６）　弹簧材料直径、表面加工状态、基础工作应力和应力幅　

值等因素＿１］。图１所示为ＤＩＮ　ＥＮ１３９Ｏ６—１标准所规定　

的热卷弹簧疲劳强度Ｇｏｏｄｍａｎ曲线图，弹簧的许用疲　

劳应力随着直径的增大逐渐降低，横坐标代表弹簧所承　

受的最小剪应力　，纵坐标代表最大剪应力ｒ…，动态　

应力幅值　一ｒ…一　，应不大于图中对应的许用疲　

劳应力极限值　］。　

１．２优化目标　

根据弹簧的许用疲劳应力与弹簧材料直径成反比　

的关系，簧径较小的内弹簧其许用疲劳应力要高于簧径　

较大的外弹簧，本文研究是将内、外弹簧的最大疲劳应