彈簧的基本性能和設計要求課件

1、彈簧的基本性能和 設計要求 低壓電器十大工藝之一- 彈簧的基本性能和設計要求 低壓電器十大工藝 冷沖壓 觸頭焊接 塑料成型 熱處理 彈簧制造 電鍍 線圈繞制 涂漆 鐵芯制造 絕緣處理（浸漆） - 彈簧的基本性能和設計要求彈簧的基本性能是在載荷作用下產生變形，卸載時釋放能量恢復原形，加載變形過程遵循一定的規(guī)律。彈簧在低壓電器中的作用： A) 保證動作力：如操作機構的作用力、觸頭壓力、電磁系統(tǒng)的反作用力等； B) 緩沖作用：由于電器上電磁鐵的吸合、斷開時有很大的沖擊力，用彈簧制成緩沖機構，可以吸收動能，減少沖擊。 C) 防止聯結件松動：電器在工作中有振動，各聯結部分需要用彈簧的彈力壓緊，防止松動。

2、- 彈簧的基本性能和設計要求彈簧的特性線 載荷P(M)與變形F( )之間的關系曲線稱為彈簧的特性線。彈簧的特性線大致有三種類型：直線型、漸增型和漸減型。 直線型 剛度不隨載荷的變化而變化 漸增型 剛度隨載荷的增加而增大 漸減型 剛度隨載荷的增加而減小- 彈簧的基本性能和設計要求常用彈簧的分類（按形狀和結構分） （1）圓柱螺旋彈簧 （2）變徑螺旋彈簧 （3）蝶形彈簧 （4）平面蝸卷彈簧 （5）片彈簧- 常用彈簧的分類（1）圓柱螺旋彈簧 這類彈簧多數由圓形截面材料制成，當同樣空間條件下需要更大的剛度時， 可選用矩形截面的材料。低壓斷路器中常用的圓柱型彈簧有以下三種： A) 圓柱形螺旋壓縮彈簧 這種

3、彈簧結構簡單，制造方便，特性接近于直線型，剛度值較穩(wěn)定。 在低壓斷路器中常用作觸頭彈簧、螺旋管式電磁脫扣器的瞬時彈簧等。 B) 圓柱形螺旋拉伸彈簧 性能和特點與壓縮彈簧相同，主要承受拉伸載荷，其特性線是直線型，分 無初應力和有初應力兩種。 在低壓斷路器中常用作機構主彈簧（一般有初應力）、拍合式電磁脫扣器 的瞬時彈簧和機構的復位彈簧等（一般無初應力）。 C) 圓柱形螺旋扭轉彈簧 這種彈簧主要承受扭矩作用，特性線呈直線型。 在低壓斷路器中常用作觸頭彈簧或機構及脫扣器的復位彈簧。 - 常用彈簧的分類2）變徑螺旋彈簧 A) 圓錐形螺旋彈簧 這類彈簧的特點是穩(wěn)定性好，結構緊湊，其特性線開始是直線，隨著載

4、荷的增加，逐漸變成漸增型，有利于緩和沖擊和共振，接觸器彈簧的主彈簧常選用圓錐形彈簧。 B) 中凸和中凹形彈簧 這類彈簧的特性相當于圓錐形彈簧，中凸形彈簧在某些場合可替代圓錐形彈簧使用，中凹形彈簧主要用作坐墊和床墊。- 常用彈簧的分類 （3）蝶形彈簧 加載與卸載特性不重合，在工作過程中有能量消耗，緩沖和減震能力強，蝶形彈簧常用于中、高壓產品中。 （4）平面蝸卷彈簧 這類彈簧圈數多，變形角大，儲存能量大，多用在儀器和鐘表中。 （5）片彈簧 這類彈簧由薄片材料制成，結構形狀繁多，主要用于儀表及低壓元器件中，繼電器中使用較多。- 常用彈簧的分類 型 式代 號 簡 圖 特 點 用 途圓柱型螺旋壓縮彈簧

5、Y彈簧受軸向壓縮負荷 Y RY兩端圈并緊、磨平廣泛應用于冷卷及熱卷彈簧 RY兩端圈并緊、不磨或磨平廣泛應用于熱卷彈簧 Y 兩端圈并緊不磨用于d0.5mm,且對支承要求不高的情況，應用于冷卷彈簧 Y兩端圈不并緊一般用于不太重要的彈簧，應用于冷卷彈簧- 常用彈簧的分類 型 式代 號 簡 圖 特 點 用 途圓柱型螺旋拉伸彈簧 L彈簧受軸向拉伸負荷 L RL 半圓鉤環(huán)兩端彎有鉤環(huán)，鉤環(huán)形式視裝配要求而定，推薦采用半圓鉤環(huán)、圓鉤環(huán)和圓鉤環(huán)壓中心3種形式。鉤環(huán)彎折處應力較大，易折斷，半鉤環(huán)體積較小，多用于拉力不太大的情況。 L RL 圓鉤環(huán) L RL 圓鉤環(huán)壓中 心 L偏心圓鉤環(huán) L 長臂半圓鉤環(huán)- 常用

6、彈簧的分類 型 式代號 簡 圖 特 點 用 途圓柱型螺旋扭轉彈簧 N彈簧受扭轉負荷N內臂扭轉彈簧扭轉彈簧型式繁多，端部結構視裝配要求而定，推薦采用外臂、內臂及直臂扭轉彈簧，均應用于冷卷彈簧N外臂扭轉彈簧N中心臂扭轉彈簧N 雙扭簧N直臂扭轉彈簧N單臂彎曲扭轉彈簧- 彈簧的基本參數彈簧的基本參數1）彈簧的直徑（中徑）2）彈簧的旋繞比3）彈簧的圈數4）彈簧的螺旋角和節(jié)距5）彈簧的高度（長度）6）彈簧的剛度7）彈簧的端部結構- 彈簧的基本參數 彈簧的直徑（中徑） 彈簧的中徑D是彈簧的公稱尺寸，也是各參數的計算依據，為了保證彈簧工作時有足夠的空間，設計時應考慮彈簧受載荷時簧圈直徑的變化。 對壓縮彈簧來說

7、，受載時簧圈直徑會增大，增大值的近似計算如下： 當彈簧兩端固定，從自由高度壓到并緊時，直徑的增大值D為： D 0.05 (t 彈簧的節(jié)距 ） 當兩端面與支承座間可以自由回轉，摩擦力比較小時，直徑的增大值D為： D 0.1- 彈簧的基本參數扭轉彈簧在受載后直徑將變小、圈數增加，直徑變小的程度取決于彈簧原有圈數及工作時扭轉角的大小。變化后的內徑D1計算如下： D1 D1 D1 為了避免彈簧與心軸發(fā)生抱緊現象，扭轉彈簧的心軸必須比最大工作扭矩作用下的彈簧內徑小10。 - 彈簧的基本參數彈簧的旋繞比C 彈簧中徑D與材料直徑 d 之比稱作彈簧的旋繞比，或彈簧指數。旋繞比越小，曲率越大，繞制越困難，彈簧剛

8、度也越大。由于工作時彈簧材料內側切應力比平均切應力大很多，導致其工作區(qū)間變小。旋繞比大時，彈簧繞制較容易，性能也較穩(wěn)定。彈簧的圈數 彈簧的有效圈數n是指直接參加彈性變形的圈數。為了避免由于載荷偏心引起過大的附加力，工作圈數最少為兩圈，一般應不少于3圈。 壓縮彈簧支承圈的圈數n2取決于端部結構型式。總圈數等于有效圈數與支承圈數之和。- 彈簧的基本參數彈簧的螺旋角和節(jié)距 壓縮彈簧的螺旋角一般取510，如螺旋角大于10時，則計算彈簧變形應考慮螺旋角的影響，螺旋角arctg 。 相鄰兩簧圈中心沿彈簧軸線之間的距離稱為彈簧的節(jié)距t，對于正常節(jié)距的壓縮彈簧，要求被壓縮到整個變形區(qū)的80時，彈簧圈間不應接觸

9、。 拉伸彈簧的節(jié)距td，因而螺旋角很小，可忽略不計。 扭轉彈簧的節(jié)距 t = d+ （ 系彈簧圈間間隙），扭轉彈簧的節(jié)距一般比較小，因而其螺旋角也比較小。- 彈簧的基本參數 彈簧的高度（長度） 壓縮彈簧的自由高度H0是指彈簧在不受外力時彈簧的高度，壓并高度Hb是指壓縮彈簧壓至各圈接觸時的理論高度。 拉伸彈簧的自由長度H0是指兩端鉤環(huán)內側的距離。 端部為半園鉤環(huán)時 H0 (n+1)d+D1 端部為園鉤環(huán)時 H0 (n+1)d+2D1- 彈簧的基本參數 彈簧的剛度對壓縮彈簧和拉伸彈簧，彈簧剛度是指使彈簧產生單位變形所用的載荷，即： P= P/F = 其中 P 壓縮和拉伸彈簧剛度（N/mm） P 彈

10、簧所受負荷（N） F 彈簧的變形量（mm） G 彈簧材料切變模量（N/mm） d 彈簧材料直徑（mm） n 彈簧的有效圈數 D 彈簧中徑（mm）- 彈簧的基本參數扭轉彈簧的剛度M指產生單位變形角所需的扭矩， M = M/ = 其中 M 扭轉彈簧的剛度（Nmm/1） M 扭轉彈簧的扭矩（Nmm） 扭轉彈簧的扭轉角 E 彈簧材料的彈性模量（N/mm）- 彈簧的基本參數 彈簧的端部結構 壓縮彈簧的端部結構常用的有兩端圈并緊并磨平、兩端圈并緊不磨平和兩端圈不并緊三種，兩端圈不磨平的結構穩(wěn)定性差，一般用于要求不高，承受靜載荷或旋繞比較大的彈簧。 當旋繞比在310之間時，彈簧端面應磨平以提高垂直度及穩(wěn)定性

11、； 旋繞比在1015之間時，端部可磨平，也可不磨平； 旋繞比大于15時，端面一般不需磨平。- 彈簧的基本參數 壓縮彈簧端部型式與高度、總圈數的關系 端部型式總圈數n1自由高度H0壓并高度Hb端部不并緊不磨平 n nt+d (n+1)d端部不并緊、磨平1/4圈 n+0.5 nt (n+1)d端部并緊不磨平，支承圈為1圈 n+2 nt+3d (n+3)d- 彈簧的基本參數 壓縮彈簧端部型式與高度、總圈數的關系 端部型式總圈數n1自由高度H0壓并高度Hb端部不并緊、磨平，支承圈為3/4圈 n+1.5 nt+d (n+1) d端部并緊、磨平，支承圈為1圈 n+2 nt+1.5d (n+1.5)d端部并

12、緊、磨平，支承圈為1+1/4圈 n+2.5 nt+2d (n+2)d- 彈簧的基本性能和設計要求 低壓斷路器常用彈簧的設計計算 彈簧材料的許用應力 及 應按負荷性質確定。 彈簧按負荷性質分為三類： 類：受變負荷作用，次數在106 次以上的彈簧； 類：受變負荷作用，次數在103 105次或沖擊負荷的彈簧； 類：受變負荷作用，次數在103 次以下的彈簧。 碳素彈簧鋼絲的級別： B級：用于低應力彈簧，鋼絲直徑d0.0813.00mm C級：用于中等應力彈簧，鋼絲直徑d0.0813.00mm D級：用于高應力彈簧，鋼絲直徑d0.086.00mm - 常用彈簧的設計計算 低壓斷路器常用彈簧材料及主要性能

13、 性 能 類 別 碳素彈簧鋼絲 B、C、D 級 不銹鋼絲1Cr18Ni9許用切應力p Mpa 類 0.3 324 類 0.4 432 類 0.5 540許用彎曲應力 Mpa 類 0.5 540 類 0.625 677剪切彈性模量 G Gpa 0.5d4 81.578.5 71.5 d4 78.5 彈性模量 E Gpa 0.5d4 204202 193 d4 197 推薦使用溫度 40120 -250300 特性及用途 強度高、加工性能好，淬透性差，適用于做小彈簧，或要求不高的大彈簧耐腐蝕、耐高低溫，有良好的工藝性,不能用淬火的方法硬化。適合做小彈簧。 - 常用彈簧的設計計算圓柱螺旋壓縮彈簧 A

14、) 已知彈簧參數：鋼絲直徑、有效圈數、彈簧中徑 求彈簧剛度和彈簧力（工作負荷） 彈簧剛度 P = (N/mm) G 剪切彈性模量 （Gpa） d 鋼絲直徑 (mm) D 彈簧中徑 (mm) n 有效圈數 彈簧力P = P h (N) h 工作行程 (mm)- 常用彈簧的設計計算B) 按所需彈簧力（工作負荷）和使用場合確定彈簧參數 最大工作負荷 P 給定或由下式計算： P= p （N） (類彈簧) P= p （N） (類彈簧) P= p （N） (類彈簧) p 許用切應力 （Mpa） K 曲度系數 查表或按下式計算： K = + - 常用彈簧的設計計算 C 旋繞比 查表或按下式計算： C = D

15、 彈簧中徑 （mm） D = D d D 彈簧外徑 (mm) 彈簧直徑 d d = 1.6 (mm) 有效圈數 n n = 總圈數 n1- 常用彈簧的設計計算 工作極限載荷 Pj Pj = j （Mpa） （j極限剪切應力） 類: j 1.12 p 類: j 1.25 p 類: j 1.67 p 最大工作載荷下的變形Fn 給定或按下式計算： Fn = (mm)- 常用彈簧的設計計算 圓柱螺旋拉伸彈簧 圓柱螺旋拉伸彈簧分有初應力和無初應力兩種。采用具有初應力的拉伸彈簧主要是為了減小彈簧的重量和工作尺寸。這種彈簧的特點是具有一段假象的變形量X，即在自由狀態(tài)下具有一定的初拉力，當承受載荷時，首先要克

16、服相當于假象變形量X的初拉力,彈簧才開始伸長，即在同樣的拉力下，彈簧實際變形尺寸較小。 外形尺寸相同的拉伸彈簧，在有無初應力的情況下，剛度相同。 拉伸彈簧的初應力 取決于材料、材料直徑、彈簧指數和加工方法。 用不需淬火的彈簧鋼絲制成的拉伸彈簧當圈與圈之間相互接觸均有一定的初應力 ，如不需要初應力時，各圈間應有間隙，經淬火的彈簧，沒有初應力。對應于初應力的拉伸負荷，即為初拉力。- 常用彈簧的設計計算A) 已知彈簧參數：鋼絲直徑、圈數、彈簧中徑，求彈簧剛度和彈簧力 無初拉力的拉伸彈簧計算方法與壓縮彈簧相同。 有初拉力的拉伸彈簧計算方法如下； 彈簧剛度 P (N/mm) 初拉力 （N） G 剪切彈性

17、模量 （Gpa） d 鋼絲直徑 (mm) D 彈簧中徑 (mm) n 有效圈數 材料初應力 （Mpa） K 彈簧曲度系數 彈簧力P P h (N) h 工作行程 (mm)- 常用彈簧的設計計算B) 按所需彈簧力和使用場合確定彈簧參數 無初拉力的圓柱螺旋拉伸彈簧，其最大工作負荷、曲度系數K、彈簧直徑d、工作極限載荷、最大工作載荷下的變形等的計算方法與壓縮彈簧相同。 拉伸彈簧的有效圈數與鉤環(huán)的的配置關系： 當有效圈數的尾圈為半圈數時，兩端的鉤環(huán)在一個平面內，鉤口 方向相反； 當有效圈數的尾圈為整圈數時，兩端的鉤環(huán)在一個平面內，鉤口 方向相對； 當有效圈數的尾圈為1/4圈和3/4圈時，兩端的鉤環(huán)在相

18、互垂直的 平面內。 圓柱螺旋拉伸彈簧的有效圈數和鉤口尺寸可查表。- 常用彈簧的設計計算有初拉力的拉伸彈簧的參數計算或選用： 最小工作負荷 1.2 彈簧剛度 P 最小工作負荷下的變形 極限工作負荷下的變形 - 常用彈簧的設計計算 圓柱螺旋扭轉彈簧 A) 已知彈簧參數：鋼絲直徑、圈數、彈簧中徑 求彈簧剛度和彈簧扭矩 扭轉彈簧的剛度 M = 其中 M 扭轉彈簧的剛度（Nmm/1） E 彈簧材料的彈性模量（N/mm） 扭轉彈簧的扭矩 M = M 或 M = 2 M （雙扭簧） 扭轉彈簧的扭轉角 - 常用彈簧的設計計算B) 按所需彈簧扭矩和使用場合確定彈簧參數 最大工作扭矩Mn 給定或由下式計算： Mn

19、 = （N mm） 類彈簧的許用彎曲應力 類彈簧的許用彎曲應力 K1 曲度系數 查表或按下式計算： K1= C 旋繞比 查表或按下式計算： C = D 彈簧中徑 （mm） D = D2d D2彈簧外徑 (mm) - 常用彈簧的設計計算 彈簧直徑 d = (mm) 有效圈數 n= 最大工作扭矩下的扭轉角 工作極限扭矩 Mj = (Nmm) 極限彎曲應力 類: 0.8 類: 0.625 最大工作扭矩下的扭轉角 給定或按下式計算： = (mm)- 彈簧的熱處理 彈簧的熱處理與彈簧的直徑和加工工藝相關。 彈簧按其加工成形時的條件分為冷成型彈簧和熱成型彈簧兩種。 熱成型彈簧 當彈簧所用材料直徑大于12m

20、m時，由于冷繞成型困難，多數用熱繞工藝，對于直徑在510mm，旋繞比比較小的彈簧，有時也采用熱繞。 熱成型彈簧需進行淬火、中溫回火處理，目的是要得到較高的彈性極限、強度極限和疲勞極限。 冷成型彈簧 彈簧線材在常溫下加工成型稱為冷成型。冷成型彈簧所用的材料一般分為兩大類：一類為硬狀態(tài)材料，冷成型后只需進行消除因冷成型時所產生的內應力；另一類為軟狀態(tài)材料，即在冷成型后需進行淬火和回火處理。 低壓斷路器和接觸器的彈簧直徑在3mm以下，一般采用經過強化處理的硬狀態(tài)鋼絲，冷卷成型，性能基本能達到使用要求，所以不需要進行高溫淬火和中溫回火處理，但應進行低溫回火，以消除冷成型時產生的內應力，并起到定型的作用

21、，還可使其彈性極限和強度有所提高。 - 彈簧的熱處理 彈簧的熱處理與彈簧的直徑和加工工藝相關。 彈簧按其加工成形時的條件分為冷成型彈簧和熱成型彈簧兩種。 熱成型彈簧 當彈簧所用材料直徑大于12mm時，由于冷繞成型困難，多數用熱繞工藝，對于直徑在510mm，旋繞比比較小的彈簧，有時也采用熱繞。 熱成型彈簧需進行淬火、中溫回火處理，目的是要得到較高的彈性極限、強度極限和疲勞極限。 冷成型彈簧 彈簧線材在常溫下加工成型稱為冷成型。冷成型彈簧所用的材料一般分為兩大類：一類為硬狀態(tài)材料，冷成型后只需進行消除因冷成型時所產生的內應力；另一類為軟狀態(tài)材料，即在冷成型后需進行淬火和回火處理。 低壓斷路器和接觸

22、器的彈簧直徑在3mmm以下，一般采用經過強化處理的硬狀態(tài)鋼絲，冷卷成型，性能基本能達到使用要求，所以不需要進行高溫淬火和中溫回火處理，但應進行低溫回火，以消除冷成型時產生的內應力，并起到定型的作用，還可使其彈性極限和強度有所提高。 - 彈簧的熱處理 鋼絲直徑（mm） 加熱溫度（） 保溫時間(min) 0.8 220250 17 0.81.2 270 280 20 1.22.0 25 2.04.0 35 4.06.0 451）回火規(guī)范 回火的溫度及保溫時間按材料的種類和直徑而定。 碳素彈簧鋼絲的回火溫度一般在250300之間，鋼絲直徑較小時，要用較低的溫度及較少的時間。- 彈簧的熱處理對于拉伸彈

23、簧回火時，要考慮是否有初壓力要求，有初壓力要求的拉伸彈簧在回火時，溫度按上表規(guī)范降低1030。經回火后的彈簧如再經幾何尺寸修整，則必須進行二次回火。二次回火時加熱溫度不變，而保溫時間要縮短為原規(guī)程的1/3，如拉伸彈簧和扭轉彈簧在圓鉤和臂加工完成后都要進行二次回火。2）回火設備 目前低壓電器行業(yè)彈簧回火采用的設備主要有硝鹽爐和高溫鼓風電爐。- 彈簧的表面防腐處理彈簧的表面防腐處理 大多數彈簧在不同程度的腐蝕性環(huán)境中工作，由于化學和電化學的作用，材料表面受到腐蝕，使彈簧過早損壞，所以必須進行防腐處理。 彈簧的防腐處理就是用抗腐蝕材料覆蓋在彈簧表面，形成保護層，保護層將彈簧與腐蝕介質隔開，達到防腐的

24、目的。 常用的彈簧防腐方法有三種： 電鍍 氧化 涂漆- 彈簧的表面防腐處理 電鍍 電鍍是獲得金屬表面保護層的有效方法，也是彈簧防腐處理的主要方法。其特點是鍍層的附著力好，結晶細致緊密，孔隙率小，厚度均勻，有良好的物理、化學及力學性能。 電鍍有鍍鋅、鍍鎘、鍍銅、鍍鉻、鍍錫和鍍鎳等，應用最普遍的是鍍鋅。 彈簧鍍鋅表面一般為白色或彩色。鋅在干燥的大氣中幾乎不發(fā)生變化。在潮濕的空氣或含有二氧化碳的水中會生成氧化鋅白色薄膜，這層薄膜能起到緩蝕的作用。鍍鋅層適合各種大氣條件下使用，但在含有酸、堿、鹽的水溶液中及在純海洋性大氣條件下，鋅的抗腐蝕性能力較差。 鍍鋅的特點是成本低、工藝簡單、效果較好，因此被廣泛

25、用于大氣中使用的中小型彈簧的防腐。 彈簧鍍鋅后要經過鈍化和去氫處理，以提高彈簧的防腐能力和避免氫脆。特別是小彈簧更容易發(fā)生氫脆，在酸洗和電鍍時一定要特別注意。- 彈簧的表面防腐處理氧化處理 彈簧的氧化處理也稱為發(fā)蘭或發(fā)黑。氧化處理后，彈簧表面生成保護性的磁性氧化鐵，厚度約為0.62m。由于膜薄且多孔隙，保護能力較差。所以，氧化處理只能用于在腐蝕性不強的介質中工作的彈簧防腐。 由于氧化處理成本低、工藝配方簡單，生產效率高，不影響彈簧的特性，所以廣泛用于冷成形小型彈簧的表面防腐。 除氧化處理外，還有磷化處理。磷化膜在一般大氣條件下較穩(wěn)定。其抗腐蝕能力比氧化處理高210倍。- 彈簧的表面防腐處理涂漆

26、 涂漆也是彈簧防腐的主要方法之一。大多在大、中型彈簧中使用，特別是熱成型彈簧及板彈簧。 用于彈簧的油漆主要有：瀝青漆、酚醛漆和環(huán)氧漆。 有些重要的彈簧，為了提高油漆的附著力和防腐能力，也采取先磷化后涂漆的工藝。 常用的涂漆方法是噴漆和浸漆，隨著工藝技術的發(fā)展，為提高工作效率、油漆的利用率和涂漆的質量，將推廣靜電噴涂等新工藝。- 彈簧的機械強化處理彈簧的機械強化處理 彈簧機械強化處理的目的是用機械的方法使彈簧材料內部產生與工作應力方向相反的應力，從而提高彈簧的使用壽命，目前所用的強化處理工藝主要有強壓處理和噴丸處理兩種。 強壓處理 強壓處理包括強壓、強拉和強扭，對于工作應力較大，比較重要及節(jié)距較大的壓縮彈簧應進行強壓處理，如閥門彈簧、兵器上使用的引信彈簧等。 強壓處理就是將彈簧成品用機械的方法，從自由狀態(tài)強制壓縮到最大工作高度或并壓高度35次，使金屬表面層產生塑性變形，從而得到與彈簧工作應力相反的應力。這樣使彈簧在工作時，應力危險點從金屬絲表面移到