螺旋弹簧 减震器 我之前用 SolidWorks 已经到了使用寿命的尽头。这个用PETG线材打印的螺旋弹簧失去了弹性，实际上它的弹簧刚度很低。在对遥控车进行改造时，我决定也改进一下这个部件。我的目标是增加弹簧的行程，并获得更高的弹簧刚度。这个改进过程实际上演变成了一个完整的增材制造设计（DfAM）应用。在这篇博文中，我们将详细探讨所有内容，从适合3D打印的螺旋弹簧设计应该如何，到弹簧刚度取决于哪些因素，以及应该使用哪些线材进行打印。

如何设计螺旋弹簧？

我可以说，在我使用过的许多CAD软件中，弹簧设计的方法几乎相同。弹簧设计需要两样东西：一个用于确定弹簧直径的圆形草图，以及一个用于赋予弹簧螺旋形状的螺旋/螺旋线命令。.

接下来的步骤可能因您使用的设计软件而异。这里我们将按照 SOLIDWORKS 命令进行操作。我们需要一个弹簧轮廓来创建弹簧的实体形状。之后，您可以使用“扫描”命令选择轮廓和路径（此处路径为螺旋线）来创建弹簧的三维形状。但是，螺旋弹簧的轮廓通常是圆形的，而 SOLIDWORKS “扫描”命令中已提供了圆形轮廓选项。因此，您无需创建任何轮廓。.

如上图所示，选择“圆形轮廓”选项后，轮廓会自动设置为圆形。接下来只需确定该圆的直径，并选择螺旋线作为路径即可。.

由于我将把这个弹簧用于减震系统，所以我将上下接触面都做成圆形。为此，你可以使用“扫描”命令，并配合之前在“螺旋”命令中为弹簧直径创建的圆形草图。.

我们在底部制作的这个环状部件将确保它能正确地安装在减震器的槽内。我们通过在模型中间创建一个平面，并将环状部件镜像到顶部，来形成弹簧的最终形状。.

槽型螺旋弹簧设计

传统弹簧通常呈圆形，正如我在示例中展示的那样。当使用FDM技术制造弹簧时，你会发现圆形弹簧的性能并不理想。特别是用于遥控车的微型弹簧，会变得异常脆弱。另一个问题是，它们与打印床的接触面积非常小，导致打印困难。正如我在切片软件中展示的那样，圆形弹簧的第一层接触面积非常小，这使得打印更加困难。当然，我们可以通过添加裙边和支撑来解决这个问题，从而增强弹簧与打印床的附着力。.

如果我们检查打印过程中弹簧线圈整体融合的层高处的横截面，我们可以再次看到粘合发生在非常小的区域内。.

测试结果表明，弹簧难以粘附在打印床上，且在几次压缩循环后就会断裂。为了解决这个问题，我决定改变弹簧的形状设计。当我使用槽形弹簧代替圆形弹簧时，由于其平整的表面，我获得了更好的打印床粘附性和更强的弹簧强度。下图展示了两种弹簧形状之间的差异。.

通过切片软件观察，可以看到，与圆形轮廓弹簧相比，第一层中微小的平面覆盖了更大的面积。.

如果我们观察打印过程中弹簧线圈在层高处融合为一个整体的横截面，你会发现，与圆形轮廓相比，粘合是在更宽的表面上进行的。.

在观察了不同弹簧形状的耐用性差异后，我问自己这样一个问题：为什么圆形弹簧更容易断裂，而槽形弹簧却能使用多年而不会断裂？

FDM技术及各向异性的影响

造成这个问题的主要原因在于所使用的3D打印技术。我使用的是FDM技术的3D打印机。FDM技术生产的零件具有各向异性结构。那么，各向异性是什么意思呢？各向异性结构的行为与各向同性结构正好相反。各向同性材料在各个方向上都表现出相同的力学性能（例如注塑成型），而各向异性材料在各个方向上的力学性能则不相同。简单来说，XY平面内的强度和Z轴方向的层间强度是不同的。.

在圆形截面弹簧中： 两个重叠的圆形层之间的接触点是相切的。由于几何形状的限制，这些层仅在非常狭窄的区域内相互粘合。这种情况导致Z轴方向的结合力非常弱，弹簧工作时，层间分离（分层）很容易从这些狭窄的接触面开始。

在槽型弹簧中： 由于型材的扁平部分，重叠层的接触面更宽。聚合物链在大面积表面上的结合，形成了一种更能抵抗弹簧弯曲时产生的剪切力和扭转力的结构。

以上我列举了两个最显而易见的原因。除此之外，我们还可以列出许多其他因素，例如切片软件生成的刀具路径、悬伸部分以及缺口效应。.

那么，单靠槽型设计就足够了吗？实际上并非如此。如果选用的耗材不合适，它就会像圆形弹簧一样脆弱。现在，让我们一起来探讨一下材料选择对耐久性的影响。.

选择合适的螺旋弹簧材料

我在测试中使用了三种不同的材料：PLA、PETG 和 ABS。测试过程中，我使用了自己设计的槽型弹簧。.

PLA 测试： 弹簧无法长时间保持其弹性，使用一定量后（短时间内），先是开裂，然后完全断裂。

图中我用放大镜近距离展示了断裂面。断裂面完全平整，就像用刀切割过一样。可以看到，断裂面边缘没有应力泛白、拉伸或颈缩的迹象，表明材料在断裂前没有发生屈服。这表明PLA材料无法承受弯曲，一旦达到其极限，就会像玻璃一样突然开裂断裂。.

ABS测试： 弹簧仍保持其弹性特性。如有任何断裂，我会更新图片并与您分享相关说明。

但为什么PLA会失效而ABS却能承受住呢？PLA本身就是一种脆性材料，而ABS则是一种延展性材料。.

PLA 与 ABS 的材料结构比较

• PLA材料不耐弯曲。.
• 它的屈服强度高于ABS。.
• 当施加弯曲运动时，聚合物链之间会形成微裂纹，这些裂纹会迅速扩展，最终形成像玻璃一样突然开裂和破碎的结构。.
• 其断裂伸长率范围为 6% 至 10%。.
• ABS中的聚丁二烯成分使其具有柔韧性和吸收冲击力的能力。.
• 它的柔韧性极佳，即使反复弯曲，也很难产生微裂纹。它能吸收能量并恢复原状。.
• 其断裂伸长率范围为 20% 至 40%。.

按打印条件划分的PLA与ABS比较

• PLA材料可在多种打印机上轻松打印，包括开放式系统打印机。.
• 部件冷却风扇以100%功率运转。在新一代高速打印机中，辅助侧风扇也提供强大的冷却能力。喷嘴将熔融塑料沉积到前一层时，塑料会在几秒钟内迅速冷却凝固。在这种情况下，顶层与底层仅表面粘合，它们不会在分子层面相互缠结。.
• ABS打印需要使用封闭式打印机，并且需要将打印腔内的环境温度保持在一定水平。（您可能在开放式打印机上打印ABS，但值得注意的是，这并不意味着您充分利用了ABS的特性。）
• 打印ABS时，腔室温度保持在45-60摄氏度范围内，侧风扇关闭。零件冷却风扇关闭或低速运转。当喷嘴喷涂新层时，由于下层仍然很热（接近其玻璃化转变温度），会因新喷出的热塑料的热量而略微熔化。在这种情况下，顶层和底层的聚合物链相互渗透并缠结。.

总而言之，虽然 PLA 是放置在展示架上或承受静态载荷的原型的绝佳选择，但当涉及到涉及机械行为的动态载荷时，ABS 将是更好的选择。.

PETG性能（中间地带）

我没有对PETG进行新的测试。因为几年前我第一次制作遥控车项目时，我用的是PETG而不是PLA。虽然它在很长一段时间内都运行良好，但一段时间后就失去了弹性。.

PETG的性能介于PLA和ABS之间。与PLA相比，它具有更好的延展性；与ABS相比，它则更脆。PETG比ABS更容易打印。.

所以，我提出这个问题：弹簧的软硬程度取决于什么？仅仅是材料选择吗？答案是否定的。材料选择固然是影响因素之一。那么，让我们来看看弹簧刚度值（它代表弹簧的软硬程度）是如何计算的。.

如何计算弹簧刚度？

弹簧的刚度或软度受多种因素影响。例如，线径 (d)、平均线圈直径 (D)、有效圈数 (n) 和材料剪切模量 (G) 等因素决定了弹簧的刚度。您可以使用以下公式计算弹簧刚度：

$$k = \frac{G \cdot d^4}{8 \cdot n \cdot D^3}$$

那么，这个弹簧刚度是多少？

弹簧刚度（k）表示将弹簧压缩1毫米所需的力。k值越低，弹簧越软；k值越高，弹簧越硬。.

操控特性：软弹簧与硬弹簧

要了解软弹簧和硬弹簧之间的区别，我们需要研究它们的特性效应：

• 软弹簧： 最大限度地提高牵引力，使响应更可预测，但转向精度会降低（给人一种迟缓的感觉）。
• 硬弹簧（硬弹簧）：可 提高转向响应速度（灵敏的响应）并增强底盘稳定性，但会导致底盘在颠簸路面上弹跳，完全失去牵引力。

黄金法则： 赛车运动和遥控车赛道调校中普遍接受的工程方法是：“使用尽可能软但又足够硬的弹簧，以防止车辆在高抓地力下触底和侧翻。” 悬挂系统过硬总是意味着牺牲机械抓地力。

此计算方法适用于标准弹簧，即具有圆形截面的弹簧。对于槽形截面弹簧，则使用以下公式进行计算：

$$k = \frac{4 \cdot G \cdot J}{\pi \cdot n \cdot D^3}$$

$$J \cong \frac{A^4}{40 \cdot I_p}$$

这里我就不赘述计算细节了。如果大家感兴趣，我可以更新博客文章添加详细信息。目前，我们的重点是展示如何设计出最精确的3D打印弹簧。因此，我只提供计算结果。.

为了进行计算，我们还需要材料的剪切模量（G）值。根据我在网上搜索到的信息，我找到了以下平均G值：

• PLA：1100兆帕
• PETG：800兆帕
• ABS：750兆帕

圆形轮廓弹簧刚度

设计规格：

• 方案一： 线圈数量 4，长度 31 毫米，平均线圈直径 14 毫米，线径 3 毫米
• 方案二： 线圈数量 3，长度 38 毫米，平均线圈直径 14 毫米，线径 3 毫米
• 所用公式：

$$k = \frac{G \cdot d^4}{8 \cdot n \cdot D^3}$$

分析结果可知，随着圈数减少，弹簧刚度平均增加33%。此外，PLA打印的4圈弹簧比ABS打印的弹簧更硬。即使目标是通过增加圈数来获得较软的弹簧刚度，材料的影响仍然更为显著。.

槽型弹簧刚度

设计规格：

• 旧设计： 线圈数量 4，长度 31 毫米，平均线圈直径 14 毫米
• 新设计： 线圈数量 3，长度 38 毫米，平均线圈直径 14 毫米
• 所用公式：

$$k = \frac{4 \cdot G \cdot J}{\pi \cdot n \cdot D^3}$$

由于该弹簧截面并非圆形，因此必须计算其横截面积。该槽形截面由两个半圆形区域和一个矩形区域组成。经计算，面积 (A) 为 10.68 mm²。.

如果将ABS的性能与圆形截面弹簧进行比较，4圈弹簧的刚度从0.69 N/mm增加到1.34 N/mm。槽形截面带来的更大横截面积使弹簧刚度提高了94%。当然，这也导致弹簧的刚度显著增加。.

之前我使用PETG丝材制作了一个4圈弹簧，计算出的k值为1.43 N/mm。在新设计中，我将圈数减少到3圈，并选择ABS作为材料。k值变为1.78 N/mm。新设计相比旧设计，弹簧刚度提高了24.5%。.

优化螺旋弹簧行程和疲劳寿命

新设计通过减少弹簧圈数并增加弹簧总长度，实现了更佳的行程。旧设计采用4个主动圈和2个被动圈，总弹簧长度为31毫米。相比之下，新设计将主动圈数减少到3个，被动圈数保持在2个，并将总弹簧长度增加到38毫米。两种设计中，槽型材厚度均保持在4毫米。.

旧设计：弹簧行程计算

$$L_s = 6圈 × 4 mm = 24 mm（弹簧实心长度）$$
$$S_{max} = 31 mm – 24 mm = 7 mm（理论最大行程）$$ $$
S_a = 4圈 × 0.1 mm × 4 mm = 1.6 mm（最小安全间隙）$$
$$S_{net} = 7 mm – 1.6 mm = 5.4 mm（弹簧安全行程）

新设计：弹簧行程计算

$$L_s = 5圈 × 4 mm = 20 mm \quad \text{(弹簧实心长度)}$$
$$S_{max} = 38 mm – 20 mm = 18 mm \quad \text{(最大理论行程)}$$
$$S_a = 3圈 × 0.1 mm × 4 mm = 1.2 mm \quad \text{(最小安全间隙)}$$
$$S_{net} = 18 mm – 1.2 mm = 16.8 mm \quad \text{(弹簧安全行程)}$$

根据这些计算出的具体参数，减震器设计也进行了必要的修改，以防止弹簧在压缩过程中相互接触。那么，这种改变有什么好处呢？

当新旧弹簧压缩量相同时（例如 4 毫米），旧弹簧的总行程利用率为 74%，而新弹簧仅为 23%。这提供了更舒适的工作范围，并显著提高了弹簧的疲劳寿命。旧弹簧中聚合物链承受的应力较高，而新弹簧的应力则低得多，因此可以持续工作更长时间。旧弹簧在受到突然冲击时更容易发生线圈卡死，即弹簧完全压缩后，线圈相互碰撞导致突然卡死。新弹簧具有足够的行程间隙来吸收这些冲击。由于旧弹簧的行程间隙较小，其工作方式较为生硬，冲击力会传递到车架上。而新弹簧由于行程间隙更大，因此能够提供更平顺、更可预测的响应。.

结论——访问模型

在这篇博文中，我分享了关于3D打印弹簧设计的经验。如果您有一辆遥控车，并且想用3D打印机打印和使用弹簧，这篇博文可以为您提供指导。如果您没有设计经验，正在寻找一个可以直接打印的遥控车3D模型，您可以通过以下链接使用我的设计。此外，限时特价，您可以以非常优惠的价格购买。.

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• 作者
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Rıdvan Polat

联合 ChampionXperience ChampionXperience

Ridvan Polat 是一位 SOLIDWORKS 精英应用工程师， ChampionXperience的创始人，也是公认的 SOLIDWORKS、 ENOVIA和 3DEXPERIENCE 专家。他专注于 CATIA 和 ENOVIA 技术支持以及 3DEXPERIENCE 早期应用适应，帮助企业优化 PLM 工作流程。.

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