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【技术分享】SolidWorks中压缩弹簧的设计方法
弹簧，在机械行业应用十分广泛，其类型也是多种多样，如何用SolidWorks快速准确的创建弹簧的三维模型，相信是困扰不少工程师的一个难题，本文以一个压缩弹簧为例，对SolidWorks中弹簧的画法进行探讨总结，希望对各位工程师的工作和学习有所帮助。
2. 压缩弹簧介绍
如下图所示，为工程上常见的压缩弹簧。其螺距是不等的，且两端削平。
3. 建模方法
方法一：使用恒定螺距螺旋线
设计思路：先绘制三段连续的不同螺距的螺旋线，并通过组合曲线把螺旋线组合，通过特征扫描，生成弹簧。
优点：容易理解，弹簧绘制可控性良好。
缺点：步骤繁琐，且螺旋不是平滑过渡的。
第一步：绘制弹簧中径草图轮廓。如图，在前视基准面，绘制草图。
第二步：绘制螺旋线1。选择上一步所绘制的草图，插入螺旋线/漩涡线 ，参数如图所示:
第三步：生成草图2 派生(按住草图1和前视基准面，选择插入-派生草图)
第四步：绘制螺旋线2。选择上一步所生成的草图，插入螺旋线/漩涡线 ，参数如图所示:
第五步：绘制螺旋线3。通过添加辅助基准面，重复步骤四和五，在另一端生产生成螺旋线3，如图所示：
第六部：组合曲线。选择组合曲线命令 ，将上图三根螺旋线组合起来，如图所示。
第七步：绘制弹簧草图截面轮廓。如图，在上视基准面创建草图轮廓，并添加尺寸和几何关系，
第八步：扫描弹簧。如图，选择弹簧轮廓和路径，进行扫描。
第九步：两端削平。通过拉伸切除命令，切除弹簧的两顶面。如图所示，即完成弹簧绘制。
方法二：使用可变螺距螺旋线
设计思路：通过螺旋线中可变螺距设定弹簧参数，通过特征扫描，生成弹簧。
优点：步骤较为简单，绘制起来比较实用。
缺点：可变螺距参数不好设定，不易理解。
第一步：绘制弹簧中径草图轮廓。如图，在前视基准面，绘制草图。
第二步：绘制螺旋线。选择可变螺距，参数和螺旋线如图所示:
接下来步骤同方法一第七、八、九步。生成的弹簧如图所示：
方法三：使用曲面扫描
设计思路：通过曲面扫描，生成弹簧的螺旋线轮廓，再用组合曲线把螺旋线组合起来，然后通过特征扫描，生成弹簧。
优点：弹簧长度可控性较强，能用于不规则弹簧的创建。
缺点：步骤繁琐，要已知弹簧各段的距离，且螺旋不是平滑过渡的。
第一步：绘制弹簧截面草图轮廓。如图，选择基准面(右视)，绘制草图。
第二步：通过转换实体引用命令，引用上图中的线段生成曲面的轮廓和路径草图，通过曲面扫描生成所示曲面，选项参数如图所示：
第三步：同理，扫描出两侧的曲面，如图所示。
第四部：组合曲线。选择组合曲线命令 ，选择上述曲面的边线，把曲面边线组合起来，如图所示。
接下来步骤同方法一第七、八、九步（注意把生成的曲面和草图隐藏）。生成的弹簧如图所示：
生成的弹簧如图所示：
同理：一些特殊的弹簧可用此方法生成，如：
方法四：使用宏程序
设计思路：安装宏程序，快速调用弹簧。
优点：建模速度快，弹簧模型较好。
缺点：需要安装宏程序。
从网上搜索弹簧的宏程序: /s/1i3j0rvJ
第一步：安装宏程序。选择选项-自定义-命令-宏-新建宏(见图A)，在自定义宏按钮对话框中选择生产各种弹簧的宏程序(见图B)，创建如图C所示宏图标）
第二步：绘制弹簧中径草图轮廓。如图，在前视基准面，绘制草图。
第三步：运行宏。选择生成的宏命令 ，设定参数如图所示：
第四步：修改截面尺寸。选择截面草图，对草图进行编辑定义。
生成的弹簧如图所示：
同理：运用此宏程序，还可以生成下列形式的弹簧：
通过对比，不难看出，上述四种方法，都可以生成压缩弹簧。个人认为，使用宏命令是最好最快生成弹簧的方法，其次是使用可变螺距螺旋线法。当然，若需要生成一些特殊的弹簧，也不妨考虑使用曲面法。
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>圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算 (一)几何参数计算 普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D、中径D2、内径D1、节距p、螺旋升角及弹 簧丝直径d。由下图圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数图可知，它们(一)几何参数计算 　　普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D、中径D2、内径D1、节距p、螺旋升角&及弹 簧丝直径d。由下图圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数图可知，它们的关系为：　　式中弹簧的螺旋升角&，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在5&～9&范围内选取。弹簧的旋向可以是右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数　　普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸计算公式见表(普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式)。
普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式
参数名称及代号计算公式备注压缩弹簧拉伸弹簧中 径D2D2=Cd按普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列表取标准值内 径D1D1=D2-d&外 径DD=D2+d&旋绕比CC=D2/d&压缩弹簧长细比bb=H0/D2&b在1～5.3的范围内选取自由高度或长度H0H0&pn+(1.5～2)d（两端并紧，磨平）H0&pn+(3～3.5)d（两端并紧，不磨平）H0=nd+钩环轴向长度&工作高度或长度H1,H2,&,HnHn=H0-&nHn=H0+&n&n--工作变形量有效圈数n根据要求变形量按式（16-11）计算n&2总圈数n1n1=n+(2～2.5)（冷卷）n1=n+(1.5～2) （YII型热卷）n1=n拉伸弹簧n1尾数为1/4,1/2,3/4整圈。推荐用1/2圈节 距pp=(0.28～0.5)D2p=d&轴向间距&&=p-d&&展开长度LL=&D2n1/cos&L&&D2n+钩环展开长度&螺旋角&&=arctg(p/&D2)对压缩螺旋弹簧，推荐 &=5&～9&(二)特性曲线 　　弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生永久变形。因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。在这个范围内工作的压缩弹 簧，当承受轴向载荷P时，弹簧将产生相应的弹性变 形，如右图a所示。为了表示弹簧的载荷与变形的关系，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系(右图b)。 这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。对拉伸弹簧，如图&圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线& 所示，图b为无预应力的拉伸弹簧的特性曲线；图c为有预应力的拉伸弹簧的特性曲线。　　右图a中的H0是压缩弹簧在没有承受外力时的自由长度。弹簧在安装时，通常预加一个压力 Fmin，使它可靠地稳定在安装位置上。Fmin称为弹簧的最小载荷(安装载荷)。在它的作用下，弹簧的长度 被压缩到H1其压缩变形量为&min。Fmax为弹簧承受的最大工作载荷。在Fmax作用下，弹簧长度减到H2， 其压缩变形量增到&max。&max与&min的差即为弹簧的 工作行程h,h=&max-&min。 Flim为弹簧的极限载荷。在该力的作用下，弹簧丝内的应力达到了材料的弹性极限。与Flim对应的弹簧长度为H3，压缩变形量为&lim。圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线　　等节距的圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线为一直线，亦即　　　　　　　　　　　　　　　　　　压缩弹簧的最小工作载荷通常取为 Fmin=(0.1～0.5)Fmax；但对有预应力的拉伸弹簧(图&圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线&)， Fmin&F0，F0为使只有预应力的拉伸弹簧开始变形时所需的初拉力。弹簧的最大工作载荷Fmax，由弹簧在机构中的工作条件决定。但不应到达它的极限载荷，通常应保持Fmax&0.8Flim。　　弹簧的特性曲线应绘在弹簧工作图中，作为检验和试验时的依据之一。此外，在设计弹簧时，利用特性曲线分析受载与变形的关系也较方便。圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线(三) 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载时的应力及变形　　圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就下图&圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析&所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。　　由图&圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析a&(图中弹簧下部断去，末示出)可知，由于弹簧丝具有升角&，故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩。因而在弹簧 丝的法向截面B-B上则作用有横向力Fcos&、轴向力Fsin&、弯矩M=Tsin&及扭矩T@= Tcos&。 由于弹簧的螺旋升角一般取为&=5&～9&，故sin&&0；cos&&1(下图&圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析b&)，则截面B-B上的应力(下图&圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c&)可近似地取为
　　　　　　　　　
　　式中C=D2/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。C值的范围为4～16(表&常用旋绕比C值&), 常用值为5～8。圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析常用旋绕比C值d(mm)0.2～0.40.45～1　1.1～2.2　2.5～67～1618～42C=D2/d　7～14　5～125～10　4～9　4～84～6　　为了简化计算，通常在上式中取1+2C&2C(因为当C=4～16时，2C&&l，实质上即为略去了 &p)，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图&圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析&c中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算：　　　　　　　　　　　　　　圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量&可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:　　　　　　　　式中：n&弹簧的有效圈数；
　　　　　G&弹簧材料的切变模量，见前一节表&弹簧常用材料及其许用应力&。如以Pmax代替P则
　　　　　　 最大轴向变形量为：　　　　1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧： 　　　　　　　　　　　　2）对于有预应力的拉伸弹簧： 　　　　　　　　　　　拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。　　用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力&0'值在下图的阴影区内选取。
　　初拉力按下式计算：
　　　　　　　　
　　使弹簧产生单位变形所需的载荷kp称为弹簧刚度，即
弹簧初应力的选择范围
　　弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大，需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值对kp的影响很大。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
（四) 承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计
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