圆柱螺旋扭转弹簧节距对刚度与应力的影响研究*

2021-10-12姜旭涛黄志辉穆云飞何建明

机械制造 2021年9期

□ 姜旭涛 □ 黄志辉 □ 穆云飞 □ 何建明

西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都 610031

1 研究背景

圆柱螺旋扭转弹簧是一种利用材料的弹性来工作的机械零件,主要用于各种装置的压紧和储能。圆柱螺旋扭转弹簧工作时,端部被固定到其它组件上。当其它组件绕圆柱螺旋扭转弹簧中心旋转时,在圆柱螺旋扭转弹簧上会产生扭矩或旋转力,将其它组件拉回初始位置。圆柱螺旋扭转弹簧从施加载荷到恢复原形时,主要存在机械功或动能与变形能之间的转换。圆柱螺旋扭转弹簧广泛应用于机械、电子、仪表、交通运输等行业。

现有用于钢琴踏板的圆柱螺旋扭转弹簧,在变载荷应力下工作50万次后发生疲劳破坏,远未达到疲劳寿命不少于100万次的设计要求。在对圆柱螺旋扭转弹簧疲劳寿命不达标问题进行检查分析时,发现这一圆柱螺旋扭转弹簧的节距不均匀,属于非标准圆柱螺旋扭转弹簧。笔者就圆柱螺旋扭转弹簧节距对刚度与应力的影响进行研究。

2 研究对象

标准节距圆柱螺旋扭转弹簧为顺时向扭转,材料采用SWP-B琴钢丝,总圈数为5.21,初始夹角φ0为104.4°,材料直径d为3.8 mm,弹簧内径D1为16 mm,固定侧扭臂长度l1为66 mm,施力侧扭臂长度l2为45 mm,自由高度H0为33.29 mm,节距p为5.66 mm,工作扭矩T为6 713.87 N·mm。标准节距圆柱螺旋扭转弹簧模型如图1所示。