彈簧設(shè)計規(guī)范(全)

彈簧設(shè)計規(guī)范(全)彈簧是一種彈性元件，具有多次重復(fù)地隨外加荷載的變化而做相應(yīng)的彈性變形，卸載后立即恢復(fù)原狀的特性。彈簧在機(jī)械中有多種應(yīng)用，如減振和緩沖、測力、儲存及輸出能量、控制運(yùn)動等。彈簧的分類方法有很多，包括按照承受的載荷不同分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種；按照形狀的不同分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、盤形彈簧和板彈簧等；按照使用材料的不同分為金屬彈簧和非金屬彈簧。每種彈簧都有其特點(diǎn)和應(yīng)用。彈簧鋼的主要性能要求是高強(qiáng)度、高屈服極限和疲勞極限。因此，彈簧鋼材含碳量較高。但是，對于截面較大的彈簧必須使用合金鋼，其中主要合金元素是硅和錳，它們可以增強(qiáng)鋼的淬透性和屈強(qiáng)比。在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。本章將重點(diǎn)介紹這類彈簧的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計理論和計算方法。彈簧材料中，最廣泛使用的是彈簧鋼（SUP）。碳素鋼常用于直徑較小的彈簧制造，工藝多采用冷拔成型，常見的有65#、75#和85#。直徑稍大的彈簧則需采用熱成型工藝生產(chǎn)，常用的材料是60Si2Mn，如汽車板簧和鐵路車輛的緩沖簧。對于高應(yīng)力的重要彈簧，可采用50CrV，常用于高級轎車板簧、發(fā)動機(jī)氣門彈簧等。其他彈簧鋼材料還有65Mn、50CrMn、30W4Cr2V等。制造彈簧時，常向鋼中加入矽、錳、鉻、釩和鉬等金屬元素，以增加彈簧的彈性和疲勞限度，且使其耐沖擊。大型彈簧多采用熱作加工，即將彈簧材料高溫軋成棒，再高溫加工成形后，淬火于780度～850度左右的油或水中，再施以400度～500度的溫度回火。小型彈簧則先經(jīng)過退火，再用冷作加工，卷成后再經(jīng)硬化回火，如鋼絲、琴鋼絲或鋼帶。琴鋼絲是屬于高炭鋼材制造，雜質(zhì)少，直徑常小于1/4時經(jīng)過軔化處理后在常溫抽成線，其機(jī)械性質(zhì)佳，抗拉強(qiáng)度及軔性大，為優(yōu)良的螺旋彈簧材料。不銹鋼絲用于易受腐蝕處，承受高溫可用高速鋼及不銹鋼。油回火線含碳量0.6～0.7%應(yīng)含錳，0.6～1.0%常用于螺圈彈簧。板彈簧常用0.9～1.0%之普通鋼，其較高級者則使用鉻釩鋼及矽錳鋼。在彈簧材料中，SUS302和WPB、SUS304和WPB、SWCSWB是常用的JIS代碼。其中，SUS302和WPB經(jīng)過冷加工可得高強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于鐵路車輛、輸送機(jī)螺絲、螺帽、彈簧等，具有耐熱、耐蝕的特點(diǎn)。SUS304和WPB則富于展性，經(jīng)過時效硬化處理后，增加了耐疲勞性和導(dǎo)電性。SWCSWB則耐疲勞性佳，要求精度高，常用于電池彈簧、開關(guān)彈簧等。在選用彈簧材料時，需要考慮多個因素，例如彈簧的用途、重要性、工作條件（包括載荷性質(zhì)、大小、循環(huán)特性、工作溫度、周圍介質(zhì)和工作時間等）、加工方法、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等。碳素彈簧鋼價格低廉，強(qiáng)度高，性能優(yōu)良，適用于承受靜載荷和有限作用次數(shù)變載荷的小型彈簧。合金鋼強(qiáng)度高，彈性好，耐溫性強(qiáng)，適用于尺寸較大且承受沖擊載荷的彈簧。不銹鋼能夠耐腐蝕和高溫，適用于在腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧。銅合金的耐腐和抗磁性能好，但強(qiáng)度較低，適用于受力較小但要求具備耐腐蝕和防磁性的彈簧。表3提供了優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲的尺寸系列和抗拉強(qiáng)度極限，供設(shè)計時參考。非金屬彈簧的材料包括橡膠、塑料、軟木和空氣等。彈簧材料的許用應(yīng)力與材料種類、載荷性質(zhì)、熱處理方法、彈簧絲尺寸、彈簧的工作條件和重要程度有關(guān)。根據(jù)受變載荷循環(huán)次數(shù)的不同情況，彈簧的許用應(yīng)力分為三類（見表2）：循環(huán)次數(shù)在106以上的重要彈簧（如內(nèi)燃機(jī)閥門彈簧和電磁閘瓦制動彈簧等）為Ⅰ類；循環(huán)次數(shù)在103-106之間及受沖擊載荷的彈簧（如調(diào)速器彈簧和一般車輛彈簧等）為Ⅱ類；循環(huán)次數(shù)在103以下的彈簧（如一般安全閥門彈簧和磨擦式安全離合器彈簧等）為Ⅲ類。碳素彈簧鋼具有高強(qiáng)度、良好性能、供應(yīng)充足、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，適用于制造彈簧絲直徑d≤13mm的彈簧。按照用途分為三級：B級（d＝0.08-10mm）用于低應(yīng)力彈簧；C級（d＝0.08-10mm）用于中等應(yīng)用彈簧；D級（d＝0.08-6.0mm）用于高應(yīng)力彈簧。碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限σb見表3。表3GB4357-89碳素彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度（GB/T1239.6-92）單位：MPa鋼絲直徑d/mm1.001.21.41.61.82.02.22.52.83.03.23.54.0B級1600162016201570152014701420142013701370132013201320級別C級1960191018601810176017101660166016201570157015701520D級2300225021502110201019101810176017101710171016601620鋼絲直徑d/mm4.55.05.56.06.37.08.09.010.011.012.013.0B級：四、彈簧設(shè)計資料彈簧設(shè)計需要掌握的基本記號包括：材料直徑（d）、彈簧平均徑（D）、有效圈數(shù)（Na）、自由長（L）、密著長（M）和橫彈性系數(shù)（G）。不同材料的彈性系數(shù)也有所不同，SUS材料為19,000kgf/mm，SWP材料為21,000kgf/mm，而SUWC材料為7,000kgf/mm。彈簧定數(shù)（K）的計算公式為：K=（G×d）/（8×D^3×Na）。彎曲應(yīng)力（τ）的計算公式為：τ=（8×D×P）/（π×d^3）×K。其中，彈簧指數(shù)（D/d）為4-13之間，荷重（P）的計算公式為：P=K×δ。需要注意的是，安全角（間隔角）應(yīng)小于14度。對于壓縮彈簧（無研磨）和壓縮彈簧（研磨），彎曲修正系數(shù)P為2或4。第1荷重（A）應(yīng)小于0.8L，第2荷重（B）應(yīng)大于1.2M。對于引張彈簧，荷重（P）的計算公式為：P=kδ+Pi，其中，初張力（Pi）的計算公式為：Pi=（π×d^4×G）/（800×D^2）。彈簧定數(shù)（K）的計算公式同上，彎曲應(yīng)力（τ）的計算公式也同上，自由長（L）的計算公式為：L=d×（N+1）+2.2×（D-d）。對于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，需要保證在容許限界以下。對于初張力的減少，在最大引張時需要注意。對于扭力彈簧，在臂長度的場合下，彈簧定數(shù)（kTd）的計算公式為：kTd=（Ed）/[3667D×N+389×（a1+a2）]，荷重（P）的計算公式為：P=（kTd×φd）/R，彎曲應(yīng)力（σ）的計算公式為：σ=（Ed×φd）/（360D×N）?；《?5度，噴霧時間2小時，靜置時間22小時，連續(xù)測試24小時以上。光能力強(qiáng)，同時具有較好的耐熱性。在金屬中導(dǎo)電性佳，導(dǎo)熱率也很好。具有良好的防腐性，可以進(jìn)行焊錫和導(dǎo)電，同時還具有耐磨性和良好的耐蝕性，鍍層均勻。根據(jù)產(chǎn)品要求，可以進(jìn)行防銹處理。此外，鍍層厚度也有不同的選擇，從0.04~0.06μm到1.2~1.5μm厚不等，鉻的厚度可以達(dá)到0.5μm，而鎳和銀的厚度可以達(dá)到3~5μm。鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為24小時以上。鍍銀的顏色為銀色，可以通過除油、酸洗、打銅底（必要時）、滾鍍鍍鎳和鍍銀來完成。而鍍錫可以通過除油、酸洗、無電除油、鎳底和鍍錫來完成。鍍鋅則可以通過除油、酸洗和鍍鋅來完成，同時可以進(jìn)行發(fā)黑或發(fā)藍(lán)的處理。五彩鋅可以通過除