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弹簧设计
10.4 弹簧
10.4.1弹簧的功能
弹簧是一种弹性元件,由于材料的弹性和弹簧的结构特点,它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形,卸载后立即恢复原状的特性。
很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。
其主要功能有:
(1)减振和缓冲,如车辆的悬挂弹簧,各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。
(2)测力,如测力器和弹簧秤的弹簧等。
(3)储存及输出能量,如钟表弹簧,枪栓弹簧,仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。
(4)控制运动,如控制弹簧门关闭的弹簧,离合器、制动器上的弹簧,控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。
10.4.2弹簧的类型、特点和应用
弹簧的分类方法很多,按照所承受的载荷的不同,弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种;按照形状的不同,弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等;按照使用材料的不同,弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。
在一般机械中,最常用的是圆柱螺旋弹簧。
故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。
10.4.3弹簧的材料和制造
1、弹簧的材料
弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作,而且要求在受极大应力的情况下,不产生塑性变形,因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限,不易松弛。
同时要求有较高的冲击韧性,良好的热处理性能等。
常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。
几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表10-3。
表10—2 弹簧的基本类型、特点和作用
名称
弹簧简图
特点及应用
名称
弹簧简图
特点及应用
圆柱形螺旋弹簧
图(a)承受拉力,图(b)承受压力,结构简单,制造方便,应用最为广泛
碟形弹簧
承受压力,缓冲及减振能力强,常用于重型机械的缓冲和减振装置。
圆柱形螺旋扭转弹簧
承受转矩,主要用于各种装置中的压紧和蓄能
环形弹簧
承受压力,是目前最强的压缩、缓冲弹簧,常用于重型设备,如机车车辆、锻压设备和机械中的缓冲装置。
圆锥形螺旋弹簧
承受压力,结构紧凑,稳定性好,防振能力较强,多用于承受大载荷和减振的场合
盘簧
承受转矩,能储存较大的能量,常用作仪器、钟表中的弹簧。
板弹簧
承受弯曲,变形大,吸振能力强,主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。
压缩弹簧:
压缩弹簧
用途最广,在制造时,绕成分开的螺旋圈,使各圈有间隙(节距),以便受力收缩,保持有向两端伸张的张力。
受最大负荷时,不能被完全压缩,必须在有效圈数间保留间隙,以免摩擦或其他物质嵌入,引起疲劳破坏。
弹簧自由长度应等于弹簧之实长加上间隙,再加变形量。
压缩弹簧为增加接触面,面应予磨平,以获取60~80%接触面。
其端部形状有多种:
两端坐圈,两端磨平等。
乃各圈分绕,因能承受压力,两端可为开式或闭式或绕平或磨平。
压缩弹簧乃变体弹簧第一种,由直筒型、锥形至缩、凸腰形,乃至各种尾端之变体,均可依设计成型。
压缩弹簧为所有弹簧种类中最被广泛运用的一种,产品运用范围广及电子、电机、计算机、信息、汽机车、自行车、五金工具、礼品、玩具、乃至国防工业,因其设计与原理易于掌握,制造控制也最为单纯。
拉伸弹簧:
各圈绕成相互紧贴的螺旋圈或节距圈,受外力时向外伸长,保持有向中间收缩之力。
拉簧钩分为多种:
英式钩,德式钩,边耳钩,鱼尾钩等。
拉伸弹簧乃典型之弹簧即弹簧之代表,由直筒形至各种变体,乃至挂钩之各种形状均能依设计成型。
拉伸弹簧为压缩弹簧之反向运用,运用范围大致较无具体产品类别,但操作控制较压缩弹簧高一级。
扭转弹簧:
扭转弹簧分为单扭弹簧和双扭弹簧,弹簧常套入销或轴中,当受外力后,即依弹簧轴心为轴而产生一扭转力,使得弹簧捲紧或旋鬆。
双扭弹簧又分为外双扭和内双扭力弹簧。
各圈或是紧密围绕或是分开围绕,俾能适任扭转负荷(与弹簧轴线成直角)。
弹簧之末端可绕成钩状或直扭转臂。
扭转弹簧乃变体弹簧之极至,由单扭至双扭,乃至各种扭杆之变形,得依设计成型。
扭转弹簧为所有弹簧类别中设计原理较为复杂的一种,型式的变化亦相当活泼,故设计时所涉及的理论也最为烦索。
因此设计时亦较难掌握。
用于压紧和储能,如门的自动复位、电机中保持电刷的接触压力等。
碟形弹簧
碟形弹簧(碟簧)DIN2093具有体积小、负荷大、组合使用方便等特性,同时具有载荷集中传递的优点。
可采用单片对合组合、多片叠合组合和混合组合等方式以获得各种不同曲线。
在机械行业中很大范围内取代圆柱弹簧,体现了新产品(主机)设计小型化多功能化的特点。
如在载荷作用方向上,较小的变形能承受较大的载荷,轴向空间紧凑。
与其他类型的弹簧比较,其单位体积的变形能较大,具有较好的缓冲吸震能力。
特别是采用叠合组合使用方式,由于表面摩擦阻尼作用,吸收冲击和消散能量的作用更为显著。
目前,在国防、冶金、工程、电力、机床、建筑等行业得到广泛应用。
如:
重型机械、飞机的强力缓冲弹簧、模具、支承吊架、离合器、制动器、桥梁缓冲(减震)装置、轴承预紧、安全过载装置、重型机械、机械起动器、控制装置、阀门、工业电炉、分度装置、夹紧装置等等。
优点:
变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。
缺点:
用作高精度控制弹簧时,对材料和制造工艺(加工精度、热处理)要求较严,制造困难。
碟形弹簧执行DIN2093和GB/T1972-2005标准。
碟形弹簧(碟簧)常用的表面处理方法:
发蓝,磷化,镀镍,电泳和机械镀锌等。
锥形弹簧:
绕成锥形的螺旋圈,可承受压力及张力,一般承受力量均甚小。
当受压缩时各圈收缩进大圈的平面内为其优点,例手电筒盖上压缩电池用的弹簧即是。
特殊之线圈弹簧:
有圆锥形、桶形及梯形和鼓形特殊线圈弹簧,广用于弹簧业。
板状弹簧:
用扁平或板状材料制造而成,也叫板弹簧或片弹簧,有下列数种:
单片弹簧,利用一金属片制成弹簧,当弹簧卷曲方向与施力方向相反时,则弹簧发生弹力。
圆盘弹簧亦称上形弹簧外形与垫圈相似,用于空间狭小及偏转不过大处。
动力弹簧利用长而窄之薄金属片,绕成螺线状,放置于匣内而利用其储存之能量做为动力之来源者。
悬臂板弹簧:
弹簧一端固定,一端半悬于空中者。
板片弹簧称层叠弹簧,板片弹簧在能量储掀的效率上,较螺旋弹簧稍低,但它能承载较大之负荷,故普通用在汽车,火车等机动车辆上。
有时为了增加吸收能量,达到更佳的避震效果,可作成椭圆形层叠弹簧或称「双层叠弹簧」。
特种弹簧:
扣环:
扣环分C形扣环及E形扣环等两类。
C形扣环可分为两种,一种是装入轴的沟槽中,作为轴端或其他机件的固持。
空气或油压伸缩囊:
空气或油压伸缩囊是利用空气或液体(通常用油)压力所产生的弹性;外面容器是利用灯笼形的空气(油)伸缩囊,常应用为汽车之缓冲器。
扭杆弹簧:
扭杆弹簧可用于扭转之场合,当然此棒可粗也可细如同线制者,亦有较粗而以纲条绕成者一样,其差别在于线径与长度之比悬殊而已。
波形弹簧
波形弹簧简称波簧,是由若干波峰波谷构成的薄片环状弹性金属元件,该产品选用优质弹簧钢65Mn(60Si2MnA/50CrVA/0Cr17Ni7Al/SUS304),经特定方法热处理并根据具体情况,硬度一般控制在HRC44-55之间,表面发黑,具有良好弹性。
波形弹簧广泛适用于电机,纺织机械,液压设备,汽车等行业,主要安装与规格(公称尺寸)相适宜的轴承室或孔内,
Smalley波形弹簧(WaveSpring)与冲压波簧相比,除光滑,正弦波形采用预回火原材料和圆形边缘外,还有许多其它有点。
负荷和弹性系数更精确且可预测,优于冲压件50%,在允许变形范围内弹性系数稳定。
SMALLEY波簧(WaveSpring)可靠性高,性能优良,无变形,表面光滑,无凹坑,划伤,断裂和其他小缺陷。
冲压波簧可能在后续制程中出现疲劳断裂与负荷不精确等缺陷。
从冶金,机械性能及尺寸稳定性,SMALLEY卷绕波簧均可提供精密的质量。
Choosefromalargeselectionofboreandroddiameters,loadingcapacities,workandfreeheights,numberofwavesandthicknesses
1.Interlacedwavesprings
Aninterlacedwavespringisformedfromtwoconstituentwavespringsofsimilarthickness,amplitudeandfrequency.Thetwoconstituentwavespringsarecombinedtogetherbyinterlacingthemsothatthespringturnsofeachspringabuteachotherforsubstantiallytheentirelengthoftheinterlacedspring.
Thisinterlacingeffectivelyincreasesthethicknessofthespringturnsoftheinterlacedspringtotherebyprovideincreasedloadingandgreaterfatigueresistancecharacteristics.
InterlacedWaveSpringsareavailableasaspecialfromSmalley.Smalleyengineersareavailabletoassistwithspringdesign.
2.Singleturnwavesprings
ConventionalGapandOverlapTypeWaveSpringsareusedinawidevarietyofapplications.Forshortdeflectionsandlow-mediumforces,theyfunctionwithprecisionanddependability.
ThesetwotypesofSmalleyWaveSpringspermitradialexpansionorgrowthindiameterwithinacavity,withoutthebindingorhang-upnormallyassociatedwithdiestampedwavewashers.Justastheirtermsimply,thegaptypeissplittoretainagapbetweentheends;whiletheoverlaptypehasoverlappingends.Thus,theendsarefreetomovecircumferentiallyasthespringoutsidediametergrowsduringcompression.
Forexample,theO.D.ofaGapTypeWaveSpringwouldfit.020loosepersideinabore.ItsI.D.clearsashaftby.010perside.Asthespringisdeflected,theO.D.andI.D.growlargeruntiltheO.D.contactsthebore.ContinueddeflectioncausesthegapendstomoveclosertogetherwhiletheO.D.pressesagainstthebore.AnOverlapTypeWaveSpringpermitsthistypeofcyclingactioninasimilarmanner.
StockSizes
Smalleyoffers3differentseriesofsingleturnwavespringsfromstock:
-SSRSeries(PDF)
GapandOverlaptypeWaveSpringsavailableinbothcarbonandstainlesssteelfrom1/2"to16"diameters
-SSR-NSeries(PDF)
GapTypeWaveSpringsavailableincarbonandstainlesssteelfrom3.250"to7.750"diameters
Smalleynarrowsectionwavespringswereoriginallydesignedtopre-loadpackingsintelescopinghydrauliccylinders.Theyhavealsofoundotherapplicationswhereworkingspaceishighlylimited.ThisSmalleyWaveSpringseriesisdesignedtofitintoaborewithalightsnaptoassureperfectconcentricitybetweenthewavespringandassembly.Whenthesenarrowsectionwavespringsarecompressed,radialexpansionistakenupbythegapinthespringtoeliminatebinding.
3.wavosprings-roundwirewavesprings
Wavospringsareproducedfromround-sectionwiretoprovidehigherloadswhilemaintainingtheaccurateloadingfoundinwavesprings.AsanalternativetoBellevillesprings,thewavoprovidessimilarloadsbutwithanaccurate,predictablespringrate.
4.Nestedwavesprings
NestedWaveSpringsarepre-stackedinparallelfromonecontinuousfilamentofflatwire.Theneedtostackindividualspringsforhigherloadsisnolongernecessary.
Nestedspringsresultinaspringratethatincreasesproportionatelytothenumberofturns.Theycanexerttremendousforces,yetmaintaintheprecisionofacircular-grainwavespring.Inmanyapplications,NestedWaveSpringsreplaceBellevilleSprings,particularlyincaseswhereahighbutaccurateforceisneeded.
5.Crest-to-Crestwavesprings
(flatwirecompressionsprings)
Crest-to-CrestWaveSpringsarepre-stackedinseries,decreasingthespringrateproportionallytothenumberofturns.Usesaretypicallyapplicationsrequiringlow-mediumspringratesandlargedeflectionswithlow-mediumforces.
Amongthemajoradvantages,thisdesigneliminatestheneedtokeepthewavecrestsaligned.Theneedtouseakeylocatingdevice,ortoinsertashimbetweenindividualspringsisnotnecessary.Becausethespringisintegrallyformed,thewavepeaksholdtheirconfiguration.
Asareplacementforhelicalcompressionsprings,Crest-to-Crestspringscandevelopsimilarforces,yetoccupyone-half(1/2)orlesstheaxialspace.Thisallowsforstrictspaceconstraints.Crest-to-CrestWaveSpringswillmaintainthesameforceandloadspecificationsofaconventionalroundwirespring,butwiththeadvantagesofresultantloweredandcompactedoperatingheights,freeheightsandsolidheights.
StockSizes
Smalleyoffers4differentseriesfromstock,withover4,000springstoselectfrom:
-CSeries(PDF)
Inchseriesavailablefrom.250"to2"incarbonandstainlesssteel
-CSSeries(PDF)
Inchshimendseriesavailablefrom.375"to2"incarbonandstainlesssteel
-CMSeries(PDF)
Metricseriesavailablefrom6mmto60mmincarbonandstainlesssteel
-CMSSeries(PDF)
Metricshimendseriesavailablefrom8mmto60mmincarbonandstainlesssteel
6.Marcelexpanders
Expanderscanalsobeformedinacircle.Theexpanderwillprovideradialforceoroutwardpressure.Thesecanbeusedbehindsealstoenergizethemwhennopressureisavailable.AMarcelexpandercanalsobeusedfortolerancetakeuportoselfcenteranassembly.
7.linearexpanders
Linearexpandersareacontinuouswaveformedwirelengthproducefromspringtemperedmaterials.Theyactasaloadbearingdevicehavingapproximatelythesameload/deflectioncharacteristicsasawavespring.Axialpressureisobtainedbylyingtheexpanderflatinastraightline.Linearexpandersareavailablecuttolengthorasacontinuouscoil,fortheusertocutasneeded.
10-3 螺旋弹簧的常用材料和许用应力
材料
许用应力[r]MPa
推荐使用温度/℃
推荐硬度
范围
特点及应用
类别
牌号
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
碳素弹簧钢丝
B、C、D级
0.3σh
0.4σh
0.5σh
-40-120
价廉易得,热处理后强度较高,但尺寸大了不易淬透,多用于制作小弹簧
合金
钢丝
60SiMn
480
640
800
-40-200
45-50HRC
弹性和回火稳定性好,但易脱碳,适用于制造受重载的大弹簧。
50CrVA
450
600
750
-40-210
有高的疲劳极限,弹性、淬透性和回火稳定性好,常用于制造受变载荷的弹簧
60SiCrVA
570
760
950
45-50
强度高,弹性好,耐高温,适用于承受重载荷的弹簧
不锈
钢丝
4CrI3
450
600
750
-40-300
耐腐蚀,耐高温,适用于受腐蚀介质影响的弹簧
青铜丝
QSi3--1
270
360
450
-40-120
48-53HRC
耐腐蚀,防磁,适用于机械或仪表中的弹簧
QSn4--3
90-100100HRC
在选择材料时,应考虑弹簧的用途、重要性、工作条件(如载荷性质、大小及循环特性,工作温度和周围介质,工作时间等)、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。
如碳素弹簧钢的价格低,强度高,性能好,广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧;合金钢的强度高,弹性好,耐温高,适用于尺寸较大及承受冲击载荷的弹簧;不锈钢耐腐蚀、耐高温,适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧;铜合金的耐腐和抗磁性好,但强度低,适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。
表10-4为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限,供设计时参考。
非金属弹簧的材料主要是橡胶,另外还有塑料、软木和空气等。
弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸,弹簧的工作条件和重要程度有关,弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类(见表10-3);循环次数在106以上的重要弹簧(如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等)为Ⅰ类;循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧(如调速器弹簧和
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