Расчет пружин

Формулы и способы расчета пружин из стали круглого сечения по ГОСТ 13765

Пружина сжатия                                                                                                                           Пружина растяжения

Наименование параметра	Обозначение	Расчетные формулы и значения
Сила пружины при предварительной деформации, Н	F 1	Принимается в зависимости от нагрузки пружины
Сила пружины при рабочей деформации (соответствует наибольшему принудительному перемещению подвижного звена в механизме), Н	F 3	Принимается в зависимости от нагрузки пружины
Рабочий ход пружины, мм	h	Принимается в зависимости от нагрузки пружины
Наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или разгрузке, м/с	v max	Принимается в зависимости от нагрузки пружины
Выносливость пружины, число циклов до разрушения	N F	Принимается в зависимости от нагрузки пружины
Наружный диаметр пружины, мм	D 1	Предварительно принимаются с учетом конструкции узла. Уточняются по таблицам ГОСТ 13766…ГОСТ 13776
Относительный инерционный зазор пружины сжатия. Для пружин растяжения служит ограничением максимальной деформации	δ	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 — 0,40
Сила пружины при максимальной деформации, Н	F 3	Уточняется по таблицам ГОСТ 13766 ÷ ГОСТ 13776
Сила предварительного напряжения (при навивке из холоднотянутой и термообработанной проволоки), Н	F 0	(0,1 ÷ 0,25) F 3
Диаметр проволоки, мм	d	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776
Диаметр трехжильного троса, мм	d 1	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776
Жесткость одного витка пружины, Н/мм	c 1	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776
Максимальная деформация одного витка пружины, мм	s’ (при F0 = 0) s» (при F0 > 0)	Выбирается по таблицам ГОСТ 13764 ÷ ГОСТ 13776
Максимальное касательное напряжение пружины, МПа	τ 3	Для трехжильных пружин
Критическая скорость пружины сжатия, м/с	v k	Для трехжильных пружин
Модуль сдвига, МПа	G	Для пружинной стали G = 7,85 х 104
Динамическая (гравитационная) плотность материала, Н • с2/м4	ρ	ρ = γ / g, где g — ускорение свободного падения, м/с2 γ — удельный вес, Н/м3 Для пружинной стали ρ = 8•103
Жесткость пружины, Н/мм	с	Для пружин с предварительным напряжением Для трехжильных пружин
Число рабочих витков пружины	n
Полное число витков пружины	n 1	где n2 — число опорных витков
Средний диаметр пружины, мм	D	Для трехжильных пружин
Индекс пружины	i	Для трехжильных пружин Рекомендуется назначать от 4 до 12
Коэффициент расплющивания троса в трехжильной пружине, учитывающий увеличение сечения витка вдоль оси пружины после навивки	Δ	Для 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, мм	s 1
Рабочая деформация пружины, мм	s 2
Максимальная деформация пружины, мм	s 3
Длина пружины при максимальной деформации, мм	l 3	где n3 — число обработанных витков Для трехжильных пружин Для пружин растяжения с зацепами
Длина пружины в свободном состоянии, мм	l 0
Длина пружины растяжения без зацепов в свободном состоянии, мм	l’ 0
Длина пружины при предварительной деформации, мм	l 1	Для пружин растяжения
Длина пружины при рабочей деформации, мм	l 2	Для пружин растяжения
Шаг пружины в свободном состоянии, мм	t	Для трехжильных пружин Для пружин растяжения
Напряжение в пружине при предварительной деформации, МПа	τ 1
Напряжение в пружине при рабочей деформации, МПа	τ 2
Коэффициент, учитывающий кривизну витка пружины	k	Для трехжильных пружин
Длина развернутой пружины (для пружин растяжения без зацепов), мм	l
Масса пружины (для пружин растяжения без зацепов), кг	m
Объем, занимаемый пружиной (без учета зацепов пружины), мм 3	V
Зазор между концом опорного витка и соседним рабочим витком пружины сжатия, мм	λ	Устанавливается в зависимости от формы опорного витка
Внутренний диаметр пружины, мм	D 2
Временное сопротивление проволоки при растяжении, МПа	R m	Устанавливается при испытаниях проволоки или по ГОСТ 9389  и ГОСТ 1071
Максимальная энергия, накапливаемая пружиной, или работа деформации, мДж		Для пружин сжатия и растяжения без предварительного напряжения Для пружин растяжения с предварительным напряжением

Методика определения размеров пружин

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

По величине заданной выносливости N_F предварительно определяют принадлежность пружины к соответствующему классу

По заданной силе F ₂ и крайним значениям инерционного зазора δ вычисляют по формуле (2) значение силы F ₃
По значению F ₃, пользуясь таблицей, предварительно определяют разряд пружины

По таблицам «Параметры пружин» находят строку, в которой наружный диаметр витка пружины наиболее близок к предварительно заданному значению D ₁. В этой же строке находят соответствующие значения силы F ₃ и диаметра проволоки d

Для пружин из закаливаемых марок сталей максимальное касательное напряжение τ ₃ находят по таблице, для пружин из холоднотянутой и термообработанной проволоки τ ₃ вычисляют с учетом значений временного сопротивления R_m . Для холоднотянутой проволоки R_m определяют из ГОСТ 9389, для термообработанной — из ГОСТ 1071

По полученным значениям F ₃ и τ ₃, а также по заданному значению F ₂ по формулам (5) и (5а) вычисляют критическую скорость v_K и отношение v_max / v_K , подтверждающее или отрицающее принадлежность пружины к предварительно установленному классу.
При несоблюдении условий v_max / v_K < 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

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)