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JISB2709中文版
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扭转螺旋弹簧的设计与性能测试方法B2709:
2000
1.适用范畴本规格针对,在普遍使用的扭转螺旋弹簧中使用圆形断而的材料,冷卷成形的圆筒形螺旋弹簧(以下简称弹簧)的设计及性能测试方法。
2.引用规格以下规格在本规格中经引用,构成本规格规定的一部分。
这些引用规格适用于最新版本。
弹簧制图
弹簧用语
高灰钢丝
琴钢丝
弹簧用碳素油淬火钢丝
阀门弹簧用碳素油淬火钢幺纟
弹簧用不锈钢丝
铜及铜合金丝
披铜、磷青铜及锌白铜的棒和丝
3.定义本规格中用语的定义出自JISB0103。
4.材料弹簧所用材料如表1所示。
使用其它材料的情形由交割双方协左。
要紧材料的拉伸强度的最小值如参考表1。
主/林科
主卞用途
-般用
導J8
耐熱
耐食
耐彼労
»»»
JISG3521
SW-B
SW-C
-
O
JISG3522
SWP
O
0
a用才”2八一做
JIS<;3560
swo
0
SWOSC-B
旦
SWOSM
o
tz
JISC3561
swo-v
h-…
o
swocv-v
o
—
0
swosc-v
o
o
J1SG>314
SUS302
SUS3O4SCS30IN!
SUS316SVS631JI
o
Or
一一
o
r
・IM■■
JISfi3260
C2600W
C^TOOW
°
1°
洋白綠
JISII3270C752IW
C75J1W
O
厂"2\V
C5191W
C5212W
O
o
C1720W
0
0
(0
5.弹簧设计用的差不多公式弹簧设汁用的差不多公式如下。
表2記号
記号
紀号CODFC;
覃位
d
材料<0直径
mm
0
mm
D°
外佳
mm
D
□平均斥0亠(〃•十仇”2
mtn
AD
H简伏懸1二召二彳儿平均楼<0风少
mm
N
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—
c
—
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I
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bt-x^b(b/v?
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N-mm
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W0145
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/.
动郁展Rim
mm
At(*.v)
Ifh定数
N-mm/rad(N・mm/度)
r/toonutt角
rad(K.•)
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■
mm
D,
mm
心
曲(化0応力誇正廉统
a
曲厅応力
N/mm'
521无需考虑弹簧扭矩长度的情形(参照图1)
L=nDN
MMDN
61D/V
32
Ed(}>
~2t^DN
(6)
Ed1
^Fd=
(7)
⑹
7
(D
ML
^~ET
(2)
妇翌竺.竺.3667MDN
7T
Ed4
Erf47F_
ZDN•丽丁3G67DV
Edg
~360DN
522需考虑弹簧扭矩长度的情形(参照图2)
r-a2)
*代人j
=-|r^-|7TP;V4-y{tti+血)|
64[ttDN+寺(血+血)]
%=
64M
[ttdn+£a+q?
“・—
J7T
3667MDN
~Ed^
389A7
Ed*
(a】+a?
)
^Td—
7T
64网"+*(6+血)]180
-Ed\
=3667DN+389(5+s)
(10)
(ID
(12)
(13)
5.3设计时需注意的事项
5.3.1纵弹性系数弹簧设讣使用的要紧材料的纵弹性系数E值如表3所示。
材料
単位N/nnn*
硬鋼線
206*2
tB77線
206x2
才<線
206X10'
用鋼線SUS302
186x2
SUS304
SUS30IN1
SUS316
SUS631J1
L96X101
黄斛線
98X101
洋白線
108x10、
以溝銅線
98xl(r
心八丿少厶銅線
127x101
532弹簧扭转方向和应力的关系那个公式用最标准的模型:
圈数在3圈以上,在弹簧线圈中有向导棒,弹簧一侧的扭臂安装在向导棒同心的回转体上。
但需注意以下几点。
巻吉込t;方向厉tu士基本式0力匚巻吉戻丁方向◎場介(図3参照)二彳儿内側;二生I:
召最大引張
32("+D/2)P心
(14)
曲厅①応力修正係数図4又“式(15)ICj:
6o
4c2—c-1
4c(c_l)
1.6
2345678910H1213141516171819202122
曲If応力修正係数粒
図3港吉戻于埸合
(15)
m.1胆切)応力修正係如尢図4又貯式(】$k乙lc2-C-I
牡"莎二厅
5.4设计应力的采纳方法
5.4.1运算式在力矩从弹簧卷入方向作用时用(4)式运算,在力矩从弹簧卷出方向作用时用式(14)运算。
5.4.2受静荷重时弹簧的的容许弯曲应力受静荷重时弹簧的的容许弯曲应力如图5所示。
图5
5.4.3受反覆荷重时弹簧的的容许弯曲应力受反覆荷重时惮簧的的容许弯曲应力,需考虑弹簧的下限应力和上限应力的关系、反覆次数以及线的表而状态等会阻碍疲劳强度的各种因素。
001020.30.40.50.60.70.80.91.0
下磁力係数禦
琴钢线、阀门牌簧用的淬火线等有良好的耐疲劳性的材料时,用参考图1疲劳强度曲线来估量一样环境下受反覆重荷时弹簧的寿命。
参考図使用例材料SWP-B
d=1.0mm
D=9.0mm
2V=4•
端末09形状:
少日一卜1'2
=100Nmm,A/rn.n=20N・mm力唇方乞卷色达住方向I二作用歹召埸合①寿命回数总推定歹召。
32Mg32x100.nin2
<7-=^-=T7To^=l()19N/mm
_1019N/nim'
石-_2260N/mn?
一皿
薦驚斤鹽畏方法'女装场所的不同,而需要不同形状的弹簧,情形专门复杂。
的容许偏差
8.1.1扭臂的自由角度的容许偏差弹簧扭臂的容许偏差如表4。
但当被指怎弹簧特性时仅作参考。
等級
】級
2級
3級
巻数
1
1
3以下
±8,
士10°
士15°
3^48x10以F
±10*
±15°
-
土20°
】0总超;120以下
±15,
±20*
±30°
20总超文30以下
士20°
±30a
±40°
表4
8.1.2弹簧宜径的容
许偏差弹簧直径的容许偏差如表5。
容许偏差必须适合表5
0栏的两个条件中绝对值较大的那个值。
尊級
】級;
•2級
3級
4以上8以下
±1.0%.
“!
小土015mm
±1.5%.廉小土0.2min
土25%.賊小二01tnm
H总超;U5以下
±1.5%.
眾小x(>2min
二20%tAl小±03mm
±3.0%,Jft小士。
・5mm
⑺艺超;122以F
±2.0%.
加小HU3min
二3.0%,jft小±0・5linn
±4.0%.骰小±0・7mm
表5
專扱
1級
2級
•3級
D/d」以上8以下
±1.5%.最小土0-3mm
二3・0%.最小土0.6mm
±50%.最小±1.0mm
8壬超;U5以下
±2.0%,最小±0.4min
二10%,最小±0・3njin
±7.0%.最小±1.4mm
15总超元22以下
±3.0%,最小±0.6mm
±6.0%.最小土1・2mm
±9.0%,J8小±1.8inm
表6
8.13弹簧长度的容许偏差弹簧长度的容许偏差如表6°但不适用于密着卷的情形。
容许偏差必须适合表50栏的两个条件中绝对值较大的那个值。
8.1.4扭臂长度的容许偏差扭臂长度的测量如图9所示对扭臂长1及11进行测量。
它的容许偏差如表7所示。
容许偏差“乡古,千•△主C72殆亦人夂〃4r+■皿6♦■估《丹亠",卫”人估
图9
等級
1級
2級
3級
材料
◎
nnn
0.1W匕0・5以下
±2.0%.屐小±03mm
±3.0%.毗小士05mm
±4.1)%.嚴小±1.0tmn
as壬超;u以r
壬2・0%.毗小土()5mm
±3.0%.晨小土0.7mm
±10%■赧小i15mm
1总超元2以下
±2.0%•锻小土0.7mm
±3.0%.最小±1.0mm
T}・"%.廉小±2.0mm
2总超X.J以F
±2.0%.锻小±10mm
±3.0%9最小±1.5mm
±4.0%.最小±3・0mm
4
±2.0%.Jft小±1.5mm
二3・0%.最小士2.0mj”
士J."%.仪小士4.0mm
表6
8.1.5扭臂弯曲角度的容许偏差扭臂弯曲角度的测量如图10所示对弯曲角度(】进行测量。
容许偏差如表8。
a
等級
1級
2級
3級
a①許容差
±5C
±1091
±15’
圈数
3 10 20 表9 圈数3 表8 8.2弹簧的特性及容许偏差 8.2.1弹簧的特性弹簧的特性要紧指指定扭转角度时的力矩,由立购者指定。 但由于弹簧末端形状、摩擦以作用时的姿势的不同而不同,只在必要情形进行指泄。 8.2.2弹簧特性的容许偏差弹簧特性的容许偏差如下。 这种情形,将扭臂的自由角度作为参考值来指定容许偏差。 等级 1级 2级 3级 01 0.03 0.05 0.08 02 10° 15。 20° 表10 9.规格规定方法 9.1弹簧制图弹簧制图来源于JISB0004。 9.2规格明细表中记载的事项规格明细表中记载的事项出自以下项目。 町材料(有材料规格的会记载其型号) b)材料的直径 c)线圈平均径 d)线圈内径或外径 e)圈数 f)卷方向 刃指定旋转角度时的力矩(指泄的情形会明确记载特性的测左方法一一着力点、向导棒、动作方向等) h)自由角度 I)扭臂长度及末端形状(在图中详细规左) J)表而处理(是否经镀、涂) k)用途或使用条件 备注上述a)-k)条目以外的,如有专门需要也有记载。 9.3规格明细表的记载规格明细表中记载的示例如图11所示。 10.实验方法禅簧的试验方法依照弹簧的形状、安装方法、使用部位的不同而不同,关于具 体要求,需交割双方协泄来进行选择,那个地点仅介绍一样的实验方法。 10.1弹簧的特性弹簧特性实验测泄在8.2中指左的指泄旋转角度时的力矩。 测左时,从规格明细表中选龙所记载项目,用合适的样板测左向导棒的直径,末端扭臂的保持方法及力矩负荷位置。 指左旋转角度时的力矩是弹簧由自由状态逐步使其力矩负荷,测定达到指定旋转角度时的力矩。 10.2尺寸尺寸实验对&1中指左的项目直截了当测量、界限表或用其它方法。 6±0.7 要目表 項目 例2・自由丙度忙許容羞$: 付疗上埸台 例2.指定tjun角時。 毛一乂a卜艺等級疋播定。 亡境合 材科 SUS304-WPB SUS301-WPB 林料径mm 1 二彳儿平均径mm .9 L9 □4/外径又U内径mm 内屋8±0・2 内径8±0.2 巻数 4.L6 4.16 巻方向 右 L右―. 自由角度0度 120±15 (120) 【兰力持性 幡定tidl角飢« — 71. 指定tjuno角時>卜N・mm — 92R|2級 (参考)計画hl;壮角仇度 — (76) 案內棒①直铠nim — 68 使用晟大時CO応力、7皿皿' — 944 表而迅理 — 本讲明属于正文中规左的事项以及与此相关的事项的讲明,不属于规格的一部分。 本讲明属财团法人日本规格协会编借发行,有关本讲明的任何咨询题,请向财团法人日本规格协会咨询。 1.制定、订正的宗旨及通过 1・1制定的宗旨本规格就扭转螺旋弹簧中,使用圆形断而的材料,冷卷成形圆筒形螺旋弹簧的设计标准以及产品规格的特性进行了规定。 1.2此前订正的通过本规格1976年3月制眾,经1987年和1995年2次订正后,于现今(2000年)进行第三次订正。 1987的订正做了如下改动: (1)向国际单位的第二时期转换: (2)在材料中追加了日本弹簧工业协会JSMANo.lK弹簧用硅珞钢、油淬火线): (3)弹性系数扩大到22以及设置了弹性系数在15到22范畴内时对线圈直径的承诺范畴及线圈长度承诺范畴等。 1995年的订正是基于1990年6月1日第399届标准会议上制泄的“”,进行了SI导入。 列外由于JISZ8301(规格票的样式)于1990年3月进行了修改,因此与此相应对规格票的样式进行了更换。 1.3本次(2000年)订正的宗旨作为重新制泄JIS的一环,本次订正以1998年5月1日由财团法人日本规格协会推托社团法人日本弹簧工业会所做的订正草案为契机进行订正。 上一次订正(1995)并没有实质性的更换,a)删除了原先的单位将SI单位作为唯独的规格值,b)JISZ8301: 1990为基础进行规格样式的更换等形式上的更换,这次收集了用户及弹簧厂商的意见,综合考虑实际情形,力图使之成为使用方便的JIS。 1.4本次(2000年)的要紧订正点本次订正的要紧订正点如下: 町规格的名称由“扭转螺旋弹簧一一设计标准”更为“扭转螺旋弹簧一一设讣与性能测试方法”。 b)规格票以JISZ8301: 1996年的为标准。 c)与国际规格的一致方面,尽管没有相应的ISO规格,但相关的国外规格有: DIN2088: 1992JSO8458-1: 1989JSO8458-2: 1989.ISO8458-3: 1992,ISO6931-1: 1992,与此进行了对比。 d)收集了用户及弹簧厂商的意见,综合考虑实际情形,力图使之成为使用方便的JIS。 2•适用范畴(正文的1)扭转螺旋弹簧是承担拧力矩(扭矩)的螺旋弹簧。 通过弹簧的末端,施与弹簧的力矩会对线圈状的材料进行弯曲力矩作用,使材料产生弯曲应力。 因此由外部的拧力矩,弹簧两端产生角位移(弹簧的扭转角度)。 压缩或拉伸螺旋弹簧对弹簧材料的选择上,圆形断而的材料要比长方形断面的材料更为有利。 然而,关于产生弯曲应力的螺旋弹簧来讲,使用长方形断面的材料在容许应力相同时,材料的效率比较髙。 然而,由于一样情形下圆形断而的材料比较好买到,较常使用,因此本规格仅限于圆形断面材料在常温加工的情形。 但使用长方形断面材料的情形下,将差不多公式 (2)及公式(4)的断面二次力矩⑴以及断而系数(Z〉改为长方形断而的运算公式,便能够本规格为标准。 在1995年版的适用范畴里记载的关于引用规格的备考,在本规格中移到了2. 3.各构成要素的内容 3.1定义(正文的3.〉条款的轲称由"用语的定义”改为'‘立义”。 3.2材料(正文的4.)由于弹簧需要利用材料本身的弹性,因此使用有禅性的材料也并无阻碍。 因此,蓄积的弹性势能越髙就越好。 由于蓄积的弹性势能是材料产生的应力的2次方倍,因此,弹性限度越大,就越适合做弹簧的材料。 弹性限度与弹簧的拉伸强度相关,因此拉伸强度高的材料比较好。 一方而考虑到弹簧的冲击荷重与反覆荷重,需要它有一左的韧性,另一方面,由于有反覆荷重,因此要求材料的表面状况要好。 因此材料的化学成分以及冷热处理关于弹簧的材料来讲差不多上极为重要的。 材料的线径以四次方的倍数阻碍着弹簧的特性,因此材料线径的容许差越小越好。 列外,依照使用条件的不同在上述内容之外,会有对耐蚀性、耐热性以及导电性方而的要求。 考虑了种种对弹簧材料的性能要求,在我国材料种类统一为正文表1所示种类。 这些材料按照弹簧的用途,在正文表1上以要紧用途加以区分。 表中一种用途列岀几种材料。 在选择材料时,需综合考虑成本、弹簧的使用条件、制造条件等并参照规格正确选择。 3.3设计运算(正文5.) 3.3.1弹簧设计使用的差不多公式(正文5.2及5.3)正文的差不多公式如图1、图2所示,在弹簧的内侧有向导棒,力矩(M)用绕弹簧的中心轴发生作用,产生弹簧的旋转角度以及旋转应力。 因此,随着弹簧受重的方向,末端承重的条件,和向导棒摩擦的条件等的不同,具体情形需具体分析。 本规格省略了如此具体情形的分析,如正文5.3所述设讣考虑事项,仅规泄了圈数在3圈以上,弹簧的一个扭臂安装在与向导棒同心的旋转体上,禅簧的卷入方向受重的最标准的情形。 3.3.2需参考扭臂长短的情形(正文5.2.2)在需参考扭臂长度的情形下,扭臂的长(al.a2)是将英看作伸臂的近似值。 判左是否需要参考扭臂长度的依照是,假如扭臂的长(al+a2)是(al+a2)>0.09xnDN时,假如参考起来比较容易则参考。 另外如式 (1)、式(9)所示,弹簧有效部分展开长度(L)意味着运算上阻碍弹簧特性的等价长度。 3.4设计需注意的事项(正文5.3) 3.4.1纵弹性系数(正文5.3.1)事实上,材料的纵弹性系数(E〉值和横弹性系数(L)值在冷、热加工后,会产生微小的变化,但弹簧是不受材料尺寸阻碍的。 将此视作弹簧的物理值,进行实验,但一样弹簧的设计上,即使E的值有误差,也并可不能有像会以4次方的倍数阻碍弹簧的特性的直径以及圈数、线圈平均径的误差那样大的阻碍。 因此,作为一样可不能阻碍设计的精度值在表3中列出。 表3所示的值是常温下各材料的值。 纵弹性系数的值随着温度的变化会有所变化,因此在使用环境温度较髙的情形需考虑进行实验。 3.4.2弹簧扭转的方向和应力的关系(正文5.3.2)弹簧的设计要求在满足英特性的同时,满足使用空间的限制,并保证必要的寿命。 一样,假如弹簧的应力髙的话,能够以2次方的比例实现其轻小化。 另外,使用不同弹性系数的材料时,如是能够使应力同一化的材料的话,则弹性系数越小越可实现英小型化。 鉴于此,正如已在材料讲明部分讲过的那样,材料的选择极为重要。 其次假如材料选立的话,为保证其需求寿命,设汁上所需选择的确实是合适的应力了。 另外,设计好的弹簧能否满足寿命方而的要求,需要进行验证。 这种情形下,正如正文所述,弹簧的应力运算需要注意弹簧力矩作用方向是卷入方向依旧卷岀方向。 3.4.4承担静荷重的弹簧的容许弯曲应力(正文5.4.2)所谓的静荷重是指,弹簧在使用状态下荷重几乎没有变化,即使有反覆荷重,在弹簧的使用寿命内也可不能超过约1000回的情形。 静荷重情形下容许的最大应力在正文图5中以容许弯曲应力的形式已加以图解。 图5是针对各钢线拉伸强度的下限作为系数,将其值连接为平滑的曲线。 以拉伸强度作为系数时,琴钢线、髙炭钢线、油淬火线是0.8,不锈钢线是O.75o冷加工率大的线径1mm以下的细线,降伏比也比较低,因此图左边是小幅度逐步变低的。 关于铜合金的材料,图5没有记载,同样的系数大致取0.75左右合适。 另外英它的材料,综合考虑英化学成分加工条件规定相应的系数即可。 那个地点需要注意的是,这些系数或者是图5图上的值是一样的情形,只要稍有变化就会有新的情形。 例如,比如限制力矩的离合器的弹簧,那个指数应当更低,相反即使显现了若干差距,由于有空间的限制,不得已的情形下,只能采纳拉伸强度邻近的应力。 接下来,在正文5.3式(15)中弯曲的应力修正系数Kb是线圈内侧的系数,线圈外侧的应力修正系数Kb'^Kb=(4c2+c-l)/4c(c+l),是个比1小的系数。 因此在弹簧卷入时,线圈外测的拉伸应力是比用公式(4)、(5)及(8)运算岀的值小的XKb\线圈内侧为§XKb.这种情形对接下来将谈到的承担反覆重荷的弹簧的耐疲劳强度有利。 3.4.5承担反覆重荷弹簧的容许应力(正文5.4.3)关于给弹簧加以反覆重荷的情形,一样的做法是,依照不同材料的抗疲劳实验的结果查找S-N曲线,综合应力振幅选出与要求使用寿命相对应的时刻强度或疲劳限度的应力值。 设计惮簧时,查找保证寿命的应力值时,要求适当的数据及一左程度的体会,这成为弹簧设计的一个咨询题。 因此,规定一个有用而简易的应力选择方法成为一个普遍的需求。 由于列入本规格的正文中不太合适,因此处于有用角度,在正文中,作为参考,以参考图1的形式记入。 参考图1最初由SAEJournal介绍,其后在AssociatedSpringCorp.的DesignHandbook中也被使用。 基于材料的拉伸强度的疲劳设计的方法进一步得以改善,为实现判左出拉伸强度,疲劳设计既可依照参考图1就能完成而将上限应力的纵轴下限应力的横轴用应力系数GoodmanDiagram来表示。 因此为明白应力范畴,区分便利的下限应力和上限应力的比丫,加入了斜线。 那个Y确实是丫= 延长表示反覆次数的斜线,就会和右上方的拉伸强度的点连接在一起。 左纵轴的上限应力系数值直截了当引用前述文献中的疲劳强度系数。 参考图1中上限应力系数0.7处划的横线是表示弹簧误差的承诺范畴。 假如承诺极小的误差的话,静荷重的情形下能够将横线移至容许弯曲应力处。 现在,表示反覆次数的斜线延长至右上方的拉伸强度方向。 一样疲劳现象会伴有一立程度的偏差,在参考图1中表示疲劳破坏的回数是选取大量实验中疲劳破坏率小的,因而信任性髙,在实际设计时,通常是像参考图1的使用例那样,在限度范畴内考虑适当的安全性。 参考图1是针对琴钢线、阀门弹簧用的淬火线等有良好的耐疲劳性的材料,关于髙炭钢线、弹簧用淬火线等是不能直截了当使用的。 在本规格中,应力选取方法的标准在材料规格中规左的拉伸强度的下限处,作为参考表1在JIS中,规定的拉伸强度的下限值在正文末尾处加以表示。 3.4.6其它需要注意事项在弹簧圈数较少时,线圈各部分的力矩处引起波动,另外,由于专门容易受到末端支持条件的阻碍,对线圈各部受同样弯曲力矩作用的差不多假设就会不成立。 因此差不多公式适用于圈数比较多(NM3)的情形。 此外,线圈排列紧密的话,就会产生相当于拉伸线圈弹簧的初张力的线圈间黏着力,这将成为加荷减荷时的摩擦力,弹簧的特性就会产生滞后现象。 假如顺着弹簧的卷入方向加
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