弹簧设计参考..pdf

《弹簧设计参考..pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弹簧设计参考..pdf（17页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、弹簧设计参考资料 弹簧参考资料弹簧参考资料 第 1 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 12-112-1概述概述 弹簧是常用的弹性零件，它在受载后产生较大的弹性变形，吸收并储存能量。 弹簧有以下的主要功能： (1)减振和缓冲。如缓冲器，车辆的缓冲弹簧等。 (2)控制运动。如制动器、离合器以及内燃机气门控制弹簧。 (3)储存或释放能量。如钟表发条，定位控制机构中的弹簧。 (4)测量力和力矩。用于测力器、弹簧秤等。 按弹簧的受力性质不同，弹簧主要分为： 拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧。 按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等。 此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等。 12-

2、212-2圆柱拉、压螺旋弹簧的设计圆柱拉、压螺旋弹簧的设计 一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线 1、弹簧的结构 (1)压缩弹簧（图 121） A、YI 型：两端面圈并紧磨平 B、Y型：两端面圈并紧不磨平。 磨平部分不少于圆周长的 3/4，端头厚度一般不少于d/8。 第 2 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 (a)Y型(b)Y型 图 12-1压缩弹簧 (2)拉伸弹簧（图 122） A、LI 型：半圆形钩 B、L型：圆环钩 C、L型：可调式挂钩，用于受力较大时 图 12-2拉伸弹簧 2、主要几何尺寸 弹簧丝直径d、外径D、内径、中径、节距p、螺旋升角、自由高度(压 第 3 页 共

3、 17 页 弹簧设计参考资料 缩弹簧)或长度(拉伸弹簧)，如图 12-3。此外还有有限圈数n，总圈数， 几何尺寸计算公式见表 12-1。 (a)(b) 图 12-3圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数 第 4 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 表 12-1 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式 名称与代号 弹簧直径d/mm 弹簧中径D 2/mm 弹簧内径D 1/mm 弹簧外径D/mm 弹簧指数C 螺旋升角/ 有效圈数n 总圈数n 1 压缩螺旋弹簧 由强度计算公式确定 拉伸螺旋弹簧 D 2=Cd D 1=D2-d D=D 2+d C=D 2/d 一般 4C6 对压缩弹簧，推荐59 由变形条件计算确

4、定 一般n2 压缩n 1n(22.5)；拉伸 n 1n n 1n(1.52)(Y型热卷)；n1的尾数为 1/4、1/2、3/4 或整圈，推荐 1/2 圈 两端圈磨平n 1n1.5 时，H0np+d 自由高度或长度H 0/mm n 1n2 时，H0np+1.5d n 1n2.5 时，H0np+2d 两端圈不磨平n 1n2 时，H0np+3d n 1n2.5 时，H0np+3.5d H nH0n LI 型H 0(n+1)d+D1 L型H 0(n+1)d+2D1 L型H0(n+1.5)d+2D1 工作高度或长度Hn/mm 节距p/mm 间距 /mm 压缩弹簧高径比b 展开长度L/mm HnH 0+n

5、，n变形量 pd pd bH 0/D2 L=D 2n1/cos 0 L=D 2n+钩部展开长度 弹簧指数C：弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即：C=D2/d。 弹簧丝直径d相同时，C值小则弹簧中径D2也小，其刚度较大。反之则刚度较 小。通常C值在 416 范围内，可按表 12-2 选取。 表 12-2圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C 弹簧直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161842 C7145125104104846 3、特性曲线 弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。 第 5 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 (1)压缩弹簧 其特性曲线如图 12-4 所示。

6、图中H0为弹簧未受载时的自由高度。F min 为最小工作载荷，它是使弹簧处于安装 位置的初始载荷。在F min 的作用下，弹簧从自由高度H0被压缩到H1，相应的弹簧 压缩变形量为 min。在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下，弹簧的压缩变形量增 至 max。图中Flim为弹簧的极限载荷，在其作用下，弹簧高度为Hlim，变形量为 lim，弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外，图中的 h= max-min，称为 弹簧的工作行程。 图 12-4圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图 12-5圆柱螺旋拉伸弹簧 的特性曲线 (2)拉伸弹簧 其特性曲线如图 12-5 所示。 按卷绕方法的不同，拉伸弹簧分为无初应力和有

7、初应力两种。无初应力的拉伸弹 簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。有初应力的拉伸弹簧的特性曲线，如 图 12-5c 所示。有一段假想的变形量x，相应的初拉力F0，为克服这段假想变形 量使弹簧开始变形所需的初拉力，当工作载荷大于F0时，弹簧才开始伸长。 对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin0.2Flim，对于有初拉力 的拉伸弹簧FminF 0；弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取 Fmax0.8Flim， 因此， 为保持弹性的线性特性， 弹簧的工作变形量应取在(0.20.8) lim范围内。 二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析 1、强度约束条件 图 12-6 为承受轴向载荷的

8、压缩弹簧，现分析其受力情况，拉伸弹簧的簧丝受力 情况完全相同。如图 12-6a，在通过轴线的剖面上，弹簧丝的剖面为椭圆，但由 于螺旋升角一般很小，可近似地用圆形剖面代替。将作用于弹簧的轴向载荷F 移至这个剖面，在此剖面上有转矩：T=FD2/2 和剪切力F的联合作用。这二者在 第 6 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力 为： 式中：K为曲度系数(或称补偿系数)，用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，其值可按下式 计算： 则弹簧丝的强度约束条件为： 或 式中：为许用剪切应力； Fmax为弹簧的最大工作载荷。 图 12-6受轴向载荷的压缩弹簧 2、刚度约束条件 圆柱螺

9、旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得的，即： 式中，G为材料的剪切弹性模量。由此可得刚度约束条件为 或 第 7 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 式中：k为弹簧刚度，表示弹簧单位变形所需的力。 一般n应圆整为 0.5 的整数倍，且大于 2。 3、稳定性约束条件 当作用在压缩弹簧的载荷过大，高径比b=H0/D2超出一定范围时，弹簧会产生较 大的侧向弯曲(图 12-7)而失稳。 为保证弹簧的稳定性， 一般规定， 两端固定时取b5.3； 一端固定另一端自由时， 取b3.7；两端自由时，应取b2.6。如未能满足上述要求，则要按下式进行稳 定性验算： Fmax1000000；类N1000100000

10、，可用作受 冲击载荷的弹簧；类N1000； 2、拉伸弹簧的许用剪应力为压缩弹簧的 80%； 3、表中、b、G和E值，是在常温下按表中推荐硬度范围的下限时的数值。 四、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计方法与实例 弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使 得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指 标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。 具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数C。由于 与d有关，所以往往还要事先假定弹簧丝的直径d，接下来计算d、n的值及 b 相应的其它几何尺寸，如果所得结果与设计条件不符合，以上过程要重复进行

11、。 直到求得满足所有约束条件的解即为本问题的一个可行方案。实际问题中，可行 方案是不唯一的，往往需要从多个可行方案中求得较优解。 例 12-1设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，簧丝剖面为圆形。已知最小载荷Fmin=200N，最大载荷 Fmax=500N，工作行程h=10mm，弹簧类工作，要求弹簧外径不超过 28mm，端部并紧磨平。 解： 试算(一)： (1)选择弹簧材料和许用应力。 选用C级碳素弹簧钢丝。 根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm， 由表 12-4 查得b=1570MPa，由表 12-3 知：=0.41b=644MPa。 (2) 计算弹簧丝直径d 由式得

12、K=1.21 由式得d4.1mm 由此可知，d=3.5mm 的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。 试算(二)： (1) 选择弹簧材料同上。为取得较大的d值，选C=5.3。 仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。 查表 12-4 得b=1520MPa，由表 12-3 知=0.41b=623MPa。 (2) 计算弹簧丝直径d 由式得K=1.29 第 12 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 由式得d3.7mm。 可知：d=4.4mm 满足强度约束条件。 (3) 计算有效工作圈数n 由图 12-4 确定变形量 查表 12-3，G=79000N/ max： ， max=16.7mm。 由式得n

13、=9.75 取n=10，考虑两端各并紧一圈， 则总圈数n 1=n+2=12。至此，得到了一个满足强度与刚度约束 条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。 试算(三)： (1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm 查表 12-4，得b=1520MPa，=0.41b=623MPa。 (2) 计算弹簧丝直径。得d3.91mm。知d=4mm 满足强度条件。 (3)计算有效工作圈数n。由试算(二)知， max=16.7mm，G=79000N/ ， 由式得n=6.11 取n=6.5 圈，仍参考两端各并紧一圈，n 1=n+2=8.5。 这一计算结果即满足强度与

14、刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又是一个较优的解，可将这 个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作稳定性校核。 (4) 确定变形量 max、min、lim和实际最小载荷 Fmin 弹簧的极限载荷为： 因为工作圈数由 6.11 改为 6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应有所变化。 由式得： min= maxh=(17.77-10)mm=7.77mm (5) 求弹簧的节距p、自由高度H0、螺旋升角 和簧丝展开长度L 在Fmax作用下相邻两圈的间距 0.1d=0.4mm，取 =0.5mm，则无载荷作用下弹簧的节距为 p=d+ max/n+1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23m

15、m 第 13 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 p基本符合在(1/21/3)D2的规定范围。 端面并紧磨平的弹簧自由高度为 取标准值H0=52mm。 无载荷作用下弹簧的螺旋升角为 基本满足 =59的范围。 弹簧簧丝的展开长度 (6) 稳定性计算 b=H0/D2=52/24=2.17 采用两端固定支座，b=2.175.3，故不会失稳。 (7) 绘制弹簧特性线和零件工作图。 第 14 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 弹簧图纸的参数标注弹簧图纸的参数标注 一。基本参数的标注： 1、对圆柱螺旋弹簧，来图对请注明：材料直径 (d)，外径(D)自由高度 (Ho)总圈(n 1 ),工作圈数(n)、 节

16、距(t)， 有负荷要求注上负荷 （p 1 p 2 p i ）和对应值（ H1H2Hj）或（F1F2Fj） ，如图一： 第 15 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 2、拉伸弹簧，请注明材料直径 (d)，外径(D)，总长(Ho)，工作圈数 (n)， 耳环的位置及形状， 负荷 （p 1 p 2 p i ） 和对应值 （ H1H2 Hj）如（图二）若有初拉力则需注上 Po 如（图二） 。 3、扭转弹簧，请注明：材料直径 (d)，外径(D)，扭臂长(L)，自由高 度(Lo)，以及其它几何尺寸，如导矩（T 1 T 2 T j ）和对应和对 第 16 页 共 17 页 弹簧设计参考资料 应扭转角度（ ）如图三： 第 17 页 共 17 页