彈簧設(shè)計(jì)資料

1、圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)§12-2圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)一、圓柱形拉、壓螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和特性曲線1、彈簧的結(jié)構(gòu)(1)壓縮彈簧（圖121）A、YI型：兩端面圈并緊磨平B、Y型：兩端面圈并緊不磨平。磨平部分不少于圓周長的3/4，端頭厚度一般不少于d/8。(a)Y型(b)Y型圖12-1壓縮彈簧(2)拉伸彈簧（圖122）A、LI型：半圓形鉤B、L型：圓環(huán)鉤C、L型：可調(diào)式掛鉤，用于受力較大時(shí)圖12-2拉伸彈簧2、主要幾何尺寸彈簧絲直徑d、外徑D、內(nèi)徑、中徑、節(jié)距p、螺旋升角a、自由高度(壓縮彈簧)或長度(拉伸彈簧)，如圖12-3。此外還有有限圈數(shù)n，總?cè)?shù)，幾何尺寸計(jì)算公式見表1

2、2-1。(a)(b)圖12-3圓柱形拉、壓螺旋彈簧的參數(shù)彈簧指數(shù)C：彈簧中徑D2和簧絲直徑d的比值即：C=D2/d。彈簧絲直徑 d 相同時(shí)，C 值小則彈簧中徑D2也小，其剛度較大。反之則剛度較小。通常C值在416范圍內(nèi)，可按表12-2選取。表12-2圓柱螺旋彈簧常用彈簧指數(shù)C彈簧直徑d/mm0.20.40.511.12.22.567161842C71451251041048463、特性曲線彈簧所受載荷與其變形之間的關(guān)系曲線稱為彈簧的特性曲線。(1)壓縮彈簧其特性曲線如圖12-4所示。圖中H0為彈簧未受載時(shí)的自由高度。Fmin為最小工作載荷，它是使彈簧處于安裝位置的初始載荷。在Fmin的作用下，

3、彈簧從自由高度H0被壓縮到H1，相應(yīng)的彈簧壓縮變形量為min。在彈簧的最大工作載荷Fmax作用下，彈簧的壓縮變形量增至max。圖中Flim為彈簧的極限載荷，在其作用下，彈簧高度為Hlim，變形量為lim，彈簧絲應(yīng)力達(dá)到了材料的彈性極限。此外，圖中的h=max-min，稱為彈簧的工作行程。圖12-4圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線圖12-5圓柱螺旋拉伸彈簧的特性曲線(2)拉伸彈簧其特性曲線如圖12-5所示。按卷繞方法的不同，拉伸彈簧分為無初應(yīng)力和有初應(yīng)力兩種。無初應(yīng)力的拉伸彈簧其特性曲線與壓縮彈簧的特性曲線相同。有初應(yīng)力的拉伸彈簧的特性曲線，如圖12-5c所示。有一段假想的變形量x，相應(yīng)的初拉力F0，

4、為克服這段假想變形量使彈簧開始變形所需的初拉力，當(dāng)工作載荷大于F0時(shí)，彈簧才開始伸長。對(duì)于一般拉、壓螺旋彈簧的最小工作載荷通常取為Fmin0.2Flim，對(duì)于有初拉力的拉伸彈簧Fmin>F0；彈簧的工作載荷應(yīng)小于極限載荷，通常取Fmax0.8Flim，因此，為保持彈性的線性特性，彈簧的工作變形量應(yīng)取在(0.20.8)lim范圍內(nèi)。二、圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)約束分析1、強(qiáng)度約束條件圖12-6為承受軸向載荷的壓縮彈簧，現(xiàn)分析其受力情況，拉伸彈簧的簧絲受力情況完全相同。如圖12-6a，在通過軸線的剖面上，彈簧絲的剖面為橢圓，但由于螺旋升角一般很小，可近似地用圓形剖面代替。將作用于彈簧的軸向載

5、荷F移至這個(gè)剖面，在此剖面上有轉(zhuǎn)矩：T=FD2/2和剪切力F的聯(lián)合作用。這二者在彈簧絲剖面上引起的最大剪切應(yīng)力為： 式中：K為曲度系數(shù)(或稱補(bǔ)償系數(shù))，用以考慮螺旋升角和彈簧絲曲率等的影響，其值可按下式計(jì)算：則彈簧絲的強(qiáng)度約束條件為：或式中：為許用剪切應(yīng)力；Fmax為彈簧的最大工作載荷。圖12-6受軸向載荷的壓縮彈簧2、剛度約束條件圓柱螺旋彈簧的變形計(jì)算公式是根據(jù)材料力學(xué)求得的，即：式中，G為材料的剪切彈性模量。由此可得剛度約束條件為或式中：k為彈簧剛度，表示彈簧單位變形所需的力。一般n應(yīng)圓整為0.5的整數(shù)倍，且大于2。3、穩(wěn)定性約束條件當(dāng)作用在壓縮彈簧的載荷過大，高徑比b=H0/D2超出一定

6、范圍時(shí)，彈簧會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向彎曲(圖12-7)而失穩(wěn)。為保證彈簧的穩(wěn)定性，一般規(guī)定，兩端固定時(shí)取b<5.3；一端固定另一端自由時(shí)，取b<3.7；兩端自由時(shí)，應(yīng)取b<2.6。如未能滿足上述要求，則要按下式進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算： Fmax<FC=CBkH0式中：FC為臨界載荷，CB為不穩(wěn)定系數(shù)，見圖12-8。圖12-7壓縮彈簧的失穩(wěn)圖12-8不穩(wěn)定系數(shù)CB三、彈簧的材料與許用應(yīng)力常用的彈簧材料有：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹鋼和銅合金材料以及非金屬材料。選擇材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)彈簧的功用、載荷大小、載荷性質(zhì)及循環(huán)特性、工作強(qiáng)度、周圍介質(zhì)以及重要程度來進(jìn)行選擇，幾種彈簧材料的性能和許用應(yīng)

7、力值見表12-3，彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度見表12-4。表12-3彈簧材料和許用應(yīng)力類別牌號(hào)壓縮彈簧許用剪切應(yīng)力t/MPa許用彎曲應(yīng)力sb/MPa切變模量G/MPa彈性模量E/MPa推薦硬度范圍HRC推薦使用溫度/特性及用途類類類類類鋼絲碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲(0.30.38)sb(0.380.45)sb0.5sb(0.60.68)sb0.8sb79000206000-40120強(qiáng)度高，性能好，適用于做小彈簧，如安全閥彈簧或要求不高的大彈簧油淬-回火、碳素彈簧鋼絲(0.350.4)sb(0.40.47)sb0.55sb(0.60.68)sb0.8sb65Mn34045557057071060Si2Mn

8、60Si2MnA 4455907407409254050-40200彈性好，回火穩(wěn)定性也，易脫碳，用于受大載荷的彈簧。60Si2Mn可作汽車拖拉機(jī)的彈簧，60Si2MnA可作機(jī)車緩沖彈簧50CrVA4550-40.210用作截面大高應(yīng)力彈簧，亦用于變載荷高溫工作的彈簧65Si2MnWA60Si2CrVA 56074593193111674752-40250強(qiáng)度高，耐高溫，耐沖擊，彈性好30W4Cr2VA4425887357359204347-40350高溫時(shí)強(qiáng)度高，淬透性好不銹鋼絲1Cr8Ni9OCr19Ni10OCr17Ni12Mo2OCr17Ni8Al (0.280.34)sb(0.340

9、.38)sb0.45sb(0.50.65)sb0.75sb71000185000-200300耐腐蝕1Cr18Ni9Ti2Cr18Ni9 32443253353367771600193000-250300耐腐蝕，耐高溫，適用于做化工，航海用小彈簧4Cr13441588735735922755002150004853-40300耐腐蝕，耐高溫，用于做化工、航海的較大尺寸彈簧Co40CrNiMo500667834834100076500197000-40400耐腐蝕，高強(qiáng)度，無磁，低后效，高彈性青銅絲QSi3-12653534424425504100093000HBS90100 -40120耐腐蝕

10、，防磁。用作電器儀表，航海的彈簧QSn4-3QSn6.5-0.1 40000QBe2353442550550730440001290003740-40120導(dǎo)電性好，彈性好，耐腐蝕，防磁，用作精密儀器彈簧注：(1)選擇彈簧材料和許用應(yīng)力。 選用C級(jí)碳素彈簧鋼絲。根據(jù)外徑要求，初選C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表12-4查得sb=1570MPa，由表12-3知：t=0.41sb=644MPa。(2) 計(jì)算彈簧絲直徑d由式得K=1.21由式得d4.1mm由此可知，d=3.5mm的初算值不滿足強(qiáng)度約束條件，應(yīng)重新計(jì)算。試算(二)：(1) 選擇彈簧材料同上。為取得較大的d值

11、，選C=5.3。仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。查表12-4得sb=1520MPa，由表12-3知t=0.41sb=623MPa。(2) 計(jì)算彈簧絲直徑d由式得K=1.29由式得d3.7mm?？芍篸=4.4mm滿足強(qiáng)度約束條件。(3) 計(jì)算有效工作圈數(shù)n由圖12-4確定變形量 max： max=16.7mm。查表12-3，G=79000N/，由式得n=9.75取n=10，考慮兩端各并緊一圈， 則總?cè)?shù)n1=n+2=12。至此，得到了一個(gè)滿足強(qiáng)度與剛度約束條件的可行方案，但考慮進(jìn)一步減少彈簧外形尺寸與重量，再次進(jìn)行試算。試算(三)：(1)仍選以上彈簧材料，取C=6，求得K=1.253

12、，d=4mm 查表12-4，得sb=1520MPa，t=0.41sb=623MPa。(2) 計(jì)算彈簧絲直徑。得d3.91mm。知d=4mm滿足強(qiáng)度條件。(3)計(jì)算有效工作圈數(shù)n。由試算(二)知，max=16.7mm，G=79000N/，由式得n=6.11取n=6.5圈，仍參考兩端各并緊一圈，n1=n+2=8.5。這一計(jì)算結(jié)果即滿足強(qiáng)度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來看，又是一個(gè)較優(yōu)的解，可將這個(gè)解初步確定下來，以下再計(jì)算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核。(4) 確定變形量 max、min、lim和實(shí)際最小載荷Fmin 彈簧的極限載荷為：因?yàn)楣ぷ魅?shù)由6.11改為6.5，故彈簧的變形量和最小載荷也相應(yīng)有

13、所變化。由式得：min=maxh=(17.77-10)mm=7.77mm(5) 求彈簧的節(jié)距p、自由高度H0、螺旋升角和簧絲展開長度L在Fmax作用下相鄰兩圈的間距0.1d=0.4mm，取=0.5mm，則無載荷作用下彈簧的節(jié)距為 p=d+max/n+1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mmp基本符合在(1/21/3)D2的規(guī)定范圍。端面并緊磨平的彈簧自由高度為取標(biāo)準(zhǔn)值H0=52mm。無載荷作用下彈簧的螺旋升角為基本滿足=5°9°的范圍。彈簧簧絲的展開長度(6) 穩(wěn)定性計(jì)算b=H0/D2=52/24=2.17采用兩端固定支座，b=2.17<5.3，故不

14、會(huì)失穩(wěn)。(7) 繪制彈簧特性線和零件工作圖。 12-3板彈簧的設(shè)計(jì)瀏覽字體設(shè)置：-11pt+10pt12pt14pt16pt放入我的網(wǎng)絡(luò)收藏夾§12-3板彈簧的設(shè)計(jì)板彈簧的剛度很大，是一種強(qiáng)力彈簧。主要用于各種車輛的減振裝置和某些鍛壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)中。板彈簧分平板彈簧和重疊板彈簧兩類。一、平板矩形彈簧如圖12-9所示，簡單的、一塊板的矩形彈簧，它的設(shè)計(jì)約束條件為最大彎曲應(yīng)力與變形l需滿足：圖12-9矩形彈簧二、重疊板彈簧 梯形板簧有比較大的負(fù)荷變量，但由于它占的空間較大，可以按如圖12-10那樣將梯形板切成等寬的幾塊，再重疊起來，形成小形化的板彈簧。這種重疊式的板彈簧，由于板與板之間有摩

15、擦，所以，在承受振動(dòng)載荷時(shí)有衰減的作用。重疊板彈簧有各種不同的結(jié)構(gòu)，圖12-11表示是其中的一種，其裝配過程見圖12-12，受力變形見圖12-13。重疊板的數(shù)目一般取614塊，為防止過大的摩擦，也有只取35塊的。在汽車上使用時(shí)，由于負(fù)荷及道路的狀態(tài)在不斷變化，板簧的荷重-變形圖應(yīng)為非線性的。因此，可設(shè)置如圖12-14所示的輔助板簧。圖12-10重疊板彈簧原理圖12-11重疊板彈簧圖12-12板彈簧的裝配過程圖12-13板彈簧的受力變形圖12-14輔助彈簧若不考慮板間的摩擦，如前述梯形板簧一樣，重疊板簧的設(shè)計(jì)約束條件為：式中：k' 按下式計(jì)算：式中：n為板的塊數(shù)。n' 按下式計(jì)算

16、：。實(shí)際上還存在板間的摩擦和板的撓度等，嚴(yán)格地講上述計(jì)算值與實(shí)測(cè)值還有一點(diǎn)差距，但用于普通設(shè)計(jì)是足夠的。12-4碟形彈簧瀏覽字體設(shè)置：-11pt+10pt12pt14pt16pt放入我的網(wǎng)絡(luò)收藏夾§12-4碟形彈簧碟形彈簧呈無底碟狀，一般用薄鋼板沖壓而成。實(shí)用中將很多碟形彈簧組合起來，并裝在導(dǎo)桿上或套筒中工作。碟形彈簧只能承受軸向載荷，是一種剛度很大的壓縮彈簧。如圖12-15所示為一個(gè)碟形彈簧受負(fù)載時(shí)的狀態(tài)。一般h/t<1.3，R0/Ri=1.52.5?？筛鶕?jù)h/t的值的變化作載荷變形曲線。如果h/t>2.8，則彈簧反向彎曲而不可恢復(fù)（參看圖12-16）。如果h=0，則變?yōu)楸P形墊圈。圖12-15碟形彈簧圖12-16碟形彈簧的載荷變形曲線§12-5習(xí)題l2-l圓柱螺旋壓縮彈簧，用II型碳素彈簧鋼絲制造。已知材料直徑d=6mm，彈簧中徑D234mm，有效圈數(shù)n=l0，問當(dāng)載荷P900N時(shí)，彈簧的變形量是多少？12-2某牙嵌式離合器用圓柱螺旋彈簧的參數(shù)如下:D36mm，d=3mm，n=5，彈簧材料為II型碳素彈簧鋼絲，最大工作載荷Pmax=lOON，載荷循環(huán)次數(shù)Nl000，試校核此彈簧的強(qiáng)度。l2-3