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弹簧的基础知识
 
更新时间:2012.07.20 浏览次数:
 
一、弹簧的作用、种类及常用符号和单位:

弹簧的作用:定位、复原、缓冲或减振、冲击、动力、施力、调节压力、测力

弹簧的种类:

依材料分为:金属弹簧(钢弹簧、有色金属弹簧),非金属弹簧

依弹簧形状分为:螺旋弹簧、片弹簧、蜗卷弹簧、板弹簧、环形弹簧、扭杆弹簧

依弹簧使用条件分为:

Ⅰ类:受交变载荷作用次数在106次以上,属于无限寿命计算范畴,应进行疲劳强度计算;

Ⅱ类:受交变载荷作用次数在103~105次之间、受冲击载荷,属于有限寿命计算范畴;

Ⅲ类:受交变载荷作用次数在103次以下,属静载强度计算范畴。

弹簧常用符号和单位:

C ——螺旋弹簧旋绕比;碟簧直径比;系数

D ——弹簧中径

D1——弹簧内径(ID)

D2——弹簧外径(OD)

d ——弹簧材料直径(线径)

G ——材料的切变模量(Mpa)

F”——弹簧的刚度(N/mm)

H ——弹簧工作高度

H0——弹簧的自由高度

T ——弹簧扭矩

t ——弹簧节距

二、弹簧的基本性能

弹簧是一种机械零件,它利用材料的弹性和结构特点,在工作时产生变形,把机械功或动能转变为变形能(位能),或把变形能(位能)转变为机械功或动能。

弹簧适用场合:

缓冲或减振,如破碎机的支撑弹簧和车辆的悬架弹簧等;

机械的储能,如钟表、仪表和自动控制机构上的原动弹簧;

控制运动,如气门、离合器、制动器和各种调节器上的弹簧;

测力装置,如弹簧称和动力计上的弹簧。

弹簧的特性线:载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性线。

弹簧的特性线大致有三种:1)直线型 2)渐增型 3)渐减型

弹簧的刚度:载荷增量与变形增量之比,即产生单位变形所需的载荷,称为弹簧的刚度。

压缩和拉伸弹簧的刚度为 K=(P2-P1)/(H1-H2)

扭转弹簧的刚度为K=(T2-T1)/(扭转角2-扭转角1)

特性线为渐增型的弹簧,刚度随着载荷的增加而增大;

渐减型的弹簧,刚度随着载荷的增加而减小;

直线型的弹簧,刚度则不随载荷变化而变化,也称为弹簧常数。

弹簧的变形能

弹簧的变形能与弹簧材料的切变模量G和弹性模量E成反比,因此,低的模量对于要求大的变形能有利;变形能的大小与最大工作应力的平方成正比,增大应力就意味着要求材料有高的弹性极限,高的弹性极限也对应着高的模量(应力起决定性作用)。

为得到大的变形能,可提高弹簧材料的体积或者应力,或两者同时提高。

弹簧的疲劳强度

在机械设备中,组成机械的零件在工作时所产生的应力大致有两种:静应力与变应力。

受静应力的零件或材料的破坏是塑性变形或脆性断裂,因此他们的强度是以材料的弹性极限或屈服强度和迁都极限来衡量的。而受变应力的零件或材料的破坏则是疲劳断裂,因此他们的强度是以疲劳强度来衡量的。

疲劳强度低于弹性极限或屈服强度等静应力强度。

变应力的类型:稳定性循环变应力,不稳定循环变应力,随机变应力。

影响疲劳强度的因素:屈服强度、表面状态、尺寸效应、屯冶金缺陷、腐蚀介质、温度

影响弹簧疲劳试验的因素:内部因素,如化学成分、金相结构等;

外部因素,如表面状态、形状尺寸、温度和周围介质。

三、圆柱螺旋压缩弹簧

当旋绕比在3~10之间时,弹簧端面最好磨平;在10~15之间时,端面可磨也可不磨;大于15时就可不磨。

为了避免由于载荷偏心引起过大的附加力,最少工作圈数为2,但一般不少于3。

旋绕比C=弹簧中径 / 钢丝直径

旋绕比C太小,材料的弯曲变形严重,需要的卷制功率大,有时切断芯轴端头太细,易断裂;旋绕比C太大,卷簧后,弹簧圈容易松开,弹簧的直径难于控制;另外由于弹簧本身的重量,引起弹簧圈不断的颤动。较为理想的旋绕比4~9。

弹簧刚度F”=Gd4 / 8D3n (N/mm)

一般载荷要求的弹簧有效圈数≥2.5,而对于载荷要求比较严格的弹簧,有效圈数>4;有效圈数又少,而载荷要求又高,则难以制造。

对于材料直径小、载荷要求较严格的弹簧,建议采用支撑圈≥2。

当规定有指定高度下两点或两点以上的载荷时,自由高度不应有公差要求。弹簧的内径和外径不可同时标注公差。

四、圆柱螺旋拉伸弹簧

初拉力:拉簧在卷制成形时,弹簧圈相互之间产生压缩力。当拉伸的外载荷作用于弹簧时,若载荷产生的拉伸力未达到此力以前,弹簧不发生变形,当达到或超过此压缩力后,才开始发生变形。对应此压缩力的拉伸载荷,即为初拉力F0。

有初拉力的弹簧的承载能力比无初拉力弹簧提高很多。

对于不要求初拉力的拉簧,圈与圈之间将或多或少有些间隙。当弹簧的圈数较多时,这些间隙将影响弹簧的自由长度理论值,需要与客户协商。

旋绕比、刚度计算公式同压簧。

拉伸弹簧的总变形量为有效圈数所产生的变形量和两端钩环所产生的变形量的总和。对于半圆钩环相当于0.1圈;整圆钩环相当于0.25~0.5圈。

有初拉力的弹簧必须用淬火状态的钢丝制造。

材料直径较小、有效圈数很多、弹簧旋绕比较大的拉簧,在电镀时不易保证质量。

五、圆柱螺旋扭簧

弹簧类型:普通扭转弹簧,并列双扭转弹簧,直列双扭转弹簧;无间距和有间距两种。

一般弹簧有效工作圈数不少于3圈;

扭转弹簧的旋向必须明确,旋向必须与扭矩的方向相一致,使弹簧工作时旋紧。

扭转弹簧的芯轴必须比最大工作扭矩作用下的弹簧内径小10%。

扭臂部分各过度圆弧的半径最小不应小于2倍的材料直径,以避免过大的应力集中。

为使扭簧在工作中不产生失稳,其最大扭转角不得大于允许值

φ允=123.1*自由状态时有效圈数的开4次方。

精度要求较高的扭簧回火温度不可太高;

需电镀处理的扭簧,其扭臂弯曲出的曲率半径应尽可能大些,防止产生清脆。

六、弹簧制造工艺

卷簧——(校正)——消除应力回火——粗磨端面——去内外毛刺——(喷丸处理)——立定处理(或强压处理)——精磨端面——检验——防锈处理——包装

喷丸处理:提高弹簧疲劳寿命

立定或强压处理:将弹簧高度压至工作极限高度或各圈并紧数次或停留一段时间,以达到稳定尺寸及提高承载能力等作用。

 
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