JB-T 10418-2004 气弹簧设计计算.pdf.pdf

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1、I CS 2 1 . 1 6 0 J2 6 备案号:1 4 8 2 4 -2 0 0 5 JB 中 华 人 民 共 和 国 机 械 行 业 标 准 J B / T 1 0 4 1 8 -2 0 0 4 气弹簧设计计算 Ga s s p r i n g s s p e c i f i c a t i o n 2 0 0 4 - 1 0 - 2 0发布2 0 0 5 - 0 4 - 0 1 实施 中华 人 民 共 和 国 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 发布 J B/ F 1 0 41 8 -2 0 0 4 目次 前言 甲 一， . 一” . . - . - - 一“ 一， ” ，. 一

2、， 一， 一， 一，一“ 甲 一甲 . 一 ， ， ， ，一 ，一 ”一 ， ，”. m I 范围 . . . ” ” - . ” ” . . . . ” ”. ” . ” . . - .“. . .1 2 规范性引用文件 . . . . . . . . . . . . . - ” . . ”. . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， . .， ， 1 3 原理和结构特征. . ” 价 价 ， . 一 二 ，.一 一. 一. .一二价 一一.， .一 一一 一 . 1 3 . 1 压缩气弹簧的 原理和结 构特征. . . . 一 ， . . . . . .

3、. . . . . . . . 价一. 一 一 1 3 . 2 刚性可锁定气弹簧的原理和结构特征. . ，. - . . . . . . 1 3 .3 和弹性可锁定气弹簧的 原理和结构特征 ”一 ， ” ” . . . . . . . . . . . . . . . .” 二 ”. 一 2 4 状态方程 卜 ” . ” 一 . . . 价 . . ” . . .“. . . . . . . 2 5 气弹簧的设计训 算与验证 “ .， 一 ， “二 ” ” - . 一 “ 一“甲 “ . ， ， ” ” .- . - . . . -一 ” . ， ， ，2 5 . 1 计算内 容. . . .

4、.价 . - . . . ” . . ， . . ， 一2 5 .2 气弹簧力值的确定“ 二 ， 一“ 价 “ ， ” . . . . 卜卜 . . . ” . . . . . . . . . . 一2 5 . 3 最小伸展力F I 与充气压力的关系.” . . - . . -. - ，. ” .”.” “ 二3 5 . 4 设计行程的确定 二“ ，. “ ” - 一 “ “ . . . . . . . . . . . . . . ， . - - . . . “ .- . . . . . . . 4 5 . 5 伸 展长度L的确定， .， 二 . 一“ . . . . . . -卜 . . .

5、 一 ， . 价 ” . 卜 . . . . . . . 4 5 . 6 活塞杆的设日 士 卜 算二 价 . 价 “ ，- “ ” ” ， - .- . ” . . . . . . . . . . . . . 4 5 . 7 气弹簧缸筒的设计计算. . 价 ” ” ” 一， ” . ” ， “ ，. .价 一价 一一一一一 5 5 . 8 导向长度， 二 ” . 一， .” . . . . - . 一“ 一 价 ， 价 二， ” ， .价一一. 一一 6 5 .9 气弹 簧弹力比 率. 一 价 “ . “ ” . . . 价 一一 一 一 一 . 一一一 一. 一6 5 . 1 0 弹簧的小活

6、门开启力. . . . . ” “ ，. ， ，.卜 ” ，. . . . ， . ”.， . - 7 附录A( 资料性附录) 气弹簧行程与缸筒长度关系系列表 ， “ ， . . . ， ，. . ， . . . . . . . . . . . . 8 附录B( 资料性附录) 气弹簧活塞杆 直径、缸筒直径与最小伸展力大小选择范围推荐表. . . . .一9 J B / T 1 0 41 8 -2 0 0 4 前言 本标准是首次制定。 本标准的附录A和附录B为资料性附录。 本标准由中国机械工业联合会提出。 本标准由 全国弹簧标准化技术委员会归口 。 本标准负责起草单位: 机械科学研究院、 昆山

7、金发液压机械有限公司 ( 原昆山 液压气动马达总厂) 。 本标准参加单位: 北京吉信气弹簧制品 有限 公司、 常州气弹簧厂、 精达气动制造有限公司、 浙江兰 溪市双冠汽车零部件厂。 本标准主要起草人: 姜膺、徐荣滨、 周正明、 梁一民、 施与秋、 赵永东、 吴小雁。 J B / T 1 0 4 1 8 -2 0 0 4 气弹簧设计计算 1 范围 本标准规定了气弹簧的一般性设计计算。 本标准适用于压缩气弹簧和可锁定气弹簧 ( 不包括压缩支承平 衡气弹簧) 。 2 规范性引用文件 下 列文件中的 条款通过本标准的引用而成为本标准的 条款。 凡是注日 期的引用文件， 其随后所有的 修改单 ( 不包括

8、勘误的内容) 或修订版均不适用于 本标准。 然而， 鼓励根据本标准达成协议的 各方研究 是否可 使用这些文件的最新版本。凡是不注日 期的引用文件， 其最新版本适用于 本标准。 G B / T 2 3 4 8 液压气动系统及元件 缸内 径及活塞杆外径( G B / r 2 3 4 8 -1 9 9 3 n e q I S O 3 3 2 0 : 1 9 8 7 ) 3 原理和结构特征 3 . ， 压缩气弹簧 ( Y Q系列) 的原理和结构特征 压缩气弹簧的原理为: 高压气体被密封在缸筒内， 缸筒内有部分油液起液力阻尼作用， 单向节流阀 沟通有杆腔和 无杆腔。自 由状态活塞杆始终伸出， 呈伸展状态

9、。 其结构特征见图1 , 气休气体油液 1 单向节流阀;2 活塞:3缸筒:4 活塞杆. 图1 3 .2 刚性可锁定气弹簧 ( J K Q系列)的原理和结 构特征 刚性可锁定气弹簧的原理为: 截止阀沟通有杆腔和无杆腔的油 ( 气) 路， 开启时， 活塞杆伸出，回 程靠外力作用，隔离活塞隔离气体和油液，使其弹簧刚 性增加。其结构特征见图2 0 气体油液油液 1隔离活塞: 2截止阀:3 活塞: 4 一一 缸筒: 5 -活塞杆 图2 J B / T 1 0 4 1 8 -2 0 0 4 3 . 3 和弹性可锁定气弹赞 ( S K Q系列) 的原理和结 构特征 弹性可锁定的气弹簧的 原理为: 截止阀沟

10、通有杆腔和无杆腔的 气体， 开启时， 活塞杆伸出， 关闭时 活塞杆锁定，回程靠外力作用。 其结构特征见图3 0 气 体油 液 3 2 3 4 I 一一 ， 截止阀; 2 - 活塞: 3 一一缸筒: 礴 一一括塞杆. 圈3 4 状态方程 4， 气弹簧的 设计计算以 环境沮 度 2 0 C 1 2 为条件，同 时应考虑沮 度对气弹簧性能的 影响。 4 .2 在环境温度不变的条件下，气弹簧的工作过程可以看 作是等温变化过程， 应遵循气体状态方程一 波意尔定律 P V - C 或者P l V I = P 2 V 2 式中: 容器 内 压 力， 单位 为M P a ; P i一容器内初始压力，单位为M

11、P a ; P z一 容器内 压缩后压力，单位为M P a ; V - 气体体积，单位为m 3 ; V , 气体初始体积，单位为扩; V 2 一 一气体压缩后体积， 单位为m 3 ; C - 一一常数. 气弹赞的设计计算与验证 计算内容 气弹簧的设计计算一般应有下列内 容: a ) 最小伸展力 F 1 和最大伸展力F 2 ; b ) 最小压缩力F 3 和最大压缩力凡: C ) 活塞杆与缸筒内径及最小伸展力F , 的选取范围: d ) 活塞杆的 稳定性校验; e )缸筒壁厚的校验: f ) 弹 力 比 率; 9 ) 可锁定气弹簧应计算其刚性锁定力和小活门的开启力。 气弹摘力 值的确定 . 1 所

12、需最小伸展力F : 的确定.可按式 ( 1 ) 计算。 22 : 55， J Bf r 1 0 41 8 -2 0 0 4 F 1 = 丝x k . . . . . . . . . . ( 1 ) b n 式中: F , 最小伸展力，单位为N ; G-一 一 举撑重力， 单位为N ; L 一 一 一 重心到回 转中心的距离，单位为m m ; b - 气弹簧杆臂伸展时，有效力臂， 单位为m m ; 月 一一气弹簧数量: k - 一 一 安全系数，一般k = 1 . 1 。亦可由供需双方协商而定。 示例: 有一被支撑物重 ( G) 3 0 0 N, $t,到回转中心的距离 ( L) 4 0 0 m

13、m，有效力仲长度 ( b ) 2 0 0 mm，使用气弹簧数量 ( n) 为2 支。 计算气弹簧最小支撑力F , 值。 由式 ( 1 )计算F , = 些x k = 3 0 0 x 4 0 0 x 1 .1 二 3 3 0 ( N ) b 月2 0 0X2 气弹 簧力值的设计应考虑使用环境温度的 影响。 环境温度变化 1 C ， 力学性能( 指压缩力和伸展力) 的变化约为2 % 0 3 % o e 5 . 3 最小伸展力F 1 与充气压力的关系 5 . 3 . 1 最小伸展力F , 与充气压力应符合式 ( 2 ) 一 F , = 晋 ， 一 F , 式中: F 1最小伸展力. 单位为N ; d

14、 - 一 一活塞杆直径，单位为m m ; P - 气弹 簧内 气 体压 力， 单 位为M P a ; F , 一一 动态摩擦力.单位为N o 5 .3 .2 在气弹簧的 设计中， 气弹 簧内部压力P 应根据缸 筒强度的 计算而确定， 一般不大于1 5 M P a e J B I T 1 0 41 8 -2 0 0 4 5 . 4 设计行程的确定 气弹簧的行程设计应考虑备用行程设计的 必要性， 一般备用行程设计为3 m m -1 0 m m， 即 S = S , 十 ( 3 -1 0 ) mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 ) 式中: S 一一设计行程，单位为 mm ; S , 工 作行程，单位为H IM. 5 . 5 伸展长度L的 确定 图5 5 . 5 . 1 伸展长度的确定参照附录A o 5 . 5 . 2 伸展长度L的计算公式为: L = S +B +l , 十1 2 ， ( 4 ) 式中: S 一 一设计行程; B缸筒长度; l ,气弹簧完全压缩状态时，气弹簧接头安装中心至缸体安装端面的距离; 1 2 - - 气弹簧接头安装中心至缸体安装断面的距离。 5 ,6 活塞杆的设计计算 5 . 6 . 1 活 塞杆与最小伸展力

16、凡的选取范围参照附录B a 5 .6 .2 活 塞杆的直径d ( mm ) 一般可由 下式 ( 5 ) 计算 d z = 0 .0 0 3 1 3 1 ;沉 。 ( 5 ) 式中: F L 活塞杆允许的临界力， 单位为N ; F L = n L. 凡 凡一 一 一 为所受轴向最大压缩力，单位为N ; n L 一 一 稳 定性安全系数，一般n , = 2 - 4 0 5 .6 . 3 对于活塞杆长度小于或等于1 0 倍的缸径D ， 可按下式计算 a )实心杆 b )空心杆 式中: 凡 气弹 簧最大压缩力， 单位为N ; 1 0 1 材料许用应力。单位为M P a ; IQ l = J B/ T

17、1 0 41 6 -2 0 0 4 Q -沫 料的屈服强度， 单位为M P a ; n 安 全系 数; d ; 活塞杆空心直径，单位为r n m o 5 .6 .4 气弹簧活塞杆的直径应按G B / T 2 3 4 8 选取。 推荐活塞杆直径选用d = 6 m m . 8 mm , 1 O m m . 1 2 m m 1 4 mm . 2 0 mm . 2 5 mm o 5 .6 .5 活塞杆的稳定性校核: ( 1 )按下列条件计算许用临界力 当 细 长 比 为 令 m f fif， F , = 粤 x 10 9 ( 8 ) 当 细 长 比 为 专 、 . JA f F , = 了xA x 1

18、 0 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 9 ) 、片.了产 L-K l + an 式中: 凡许 用临 界力， 单位为N ; L 活塞杆的伸展长度 ( 按气弹簧安装长度计算) ， 单位为m m ; d - 一 一 .活塞杆直径， 单位为m m ; K - - 活塞杆截面积回 转半径 ( 惯性半径) ， 单位为m m; 厅d 式 = J -=一 、 A 4 J -活塞杆截面积转动惯量，

19、单位为例1 1 4m m; ， = m 4 6 4 A 活塞杆截面积， 单位为翩刀 2M M: 阴 柔性系数，对于钢m = 8 5 i n 系数， 根据安装特性，压缩气弹簧n = 1 ， 对于 可锁定气弹簧， 在可能出现偏心时n = 2 ; 户 一 一 材 料 强度 试 验 值， 对 于 钢介4 9 0 M P a ; a-* M C, 寸 于 钢 。 _ 150 00 ( 2 )活塞杆稳定性验证公式为: 凡 = 些 ( 1 0 ) 式中: F 4 - 所受轴向最大压缩力。 单位为N ; F L 活塞杆允许的临界力， 单位为N ; n l 一稳定性安全系数，一般取n ,= 2 -4 0 5 7

20、 气弹簧缸筒的 设计计算 5 .7 . 1气弹簧缸筒内 径应按G B / T 2 3 4 8 选取， 或按6 . 7 .2 及6 . 7 .3 计算确定。 5 .7 .2 缸筒内径的计算可由 下式确定 推 荐 选 取 活 塞 杆 直 径 d 与 缸 筒 内 径 。 之 比 近 似 告一 合 。 = d aa - 1 ( 1 1 ) 式中: J B/ T 1 0 41 8 -2 00 4 D -缸筒内径，单位为 MM; d - 活塞杆直径， 单位为m m ; “ 气弹簧的弹力比率，一般a = 1 . 1 5 -1 .6 5 . 5 .7 .3 缸筒的壁厚计算: ( 1 ) 缸筒的壁 厚可按下式计

21、算 D D ( 1 2 ) 耐 式中: t缸壁厚度， 单位为m m ; D - 缸筒内径， 单位为M M ; P缸体内 部气体压力， 单位为M P a ; 同 缸体材料许用应力， 单位为M P a e ( 2 )可 用下式进行缸筒壁厚强度校核 ， 兴 ， ， ( 1 3 ) 式中: P缸体内部气体压力， 单位为MP a ; 一半 径比 ， ; = R or = - R ( 3 ) 计算所得壁厚， ， R 。 一 缸体外半径，单位为m m, R -缸体内 半径， 单位为m m o 一般应根据无缝钢管和有 关标准， 作适当调整， 一般不小于l m m o 缸筒外径 D 。 与内 径D之比在 5 .

22、 8 导向长度 气弹簧设计时， 1 . 1 一1 . 2之间。 应计算柱塞或活塞的导向 长度， 保证运动的稳定性和 具有一定抗偏载荷能力。 5 . 8 . 1 最小导向 长度 H :当气弹簧处于完全伸展状态时，气弹簧最前段固定导向 部分与活塞部分两中 心之间的距离。 5 .8 .2 最小导向长度H应满足下 式的要求。 H 三十旦. . . . . . . . . . . ( 14 ) 2 式中: H -最小导向 长度， 单位为m m ; S - - 一气弹簧设计行程， 单位为rr m m ; D缸筒内径， 单位为m m o 5 . 8 . 3 导向 部分宽度A和B取值， 可以 相等。也可以 不

23、相等。一般其取值为: 当D o - 3 0 m m时， A = B = ( 0 .3 0 .5 ) D 式中: D - 一 缸筒内径，单位为mm. 5 .9 气弹簧弹力比率 J B/ T 1 0 4 1 8 -2 0 0 4 5 . 9 . 1 气弹簧的弹力比率应根据负载的情况而定，一般a应小于 1 .6 5 . F4 + F2 a =. . ， . ， . “ . . . . ， . “ . . ， . . . . . ， F3 十 Fi ( 1 5 ) 5 . 9 .2 弹力比 率的设计一般可用下式计算: 有杆腔体积刀2 正 名 二 二吮二 丁节竺 竺， 丁 ， r r 一二 丁二 二 一

24、- 二尸一 丁 尸 . . . - .- 一 ，. ” ”一 . .- . . - . 甲. .” 、 10 少 尤 什 胫 体 积D 一d 式中: 刀 一 临 工 体内 径， 单位为MM ; d 活塞杆直径， 单位为I =. 5 . 1 0 弹簧的小活门开启力 角调可锁定气弹簧、升降可锁定气弹簧的小活门开启力可用下式计算: 。 耐 x p. ， r笙 二 宁 i 4 ( 1 7 ) 式 中: 尸 一小活门开启力， 单位为N ; d , -/ N 活门的有效直径，单位为m m ; P - 气弹 簧内 腔 压力， 单 位 为M P a ; t 一 一 小活门上产生的康擦力， 单位为N . J B

25、 / T 1 0 41 8 -2 0 0 4 附录A ( 资料性附录) 气弹簧行程与缸筒长度关系系列表 A . 1 压缩气弹簧行程与缸筒长度关系参照表A . l o 表A . i 4 0 0 3 5 0 3 oo 28 0 2 5 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 2 0 1 00 9 0 8 0 1 6 01 8 02 0 02 2 02 4 02 6 03 0 03 2 03 6 04 0 05 1 0 行程5 m m A.2 缸筒长度 B mm 可锁定气弹簧行程与缸筒长度关系参照表A . 2 , 表A.2 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 8 0 2 5 0

26、2 20 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 2 0 1 0 0 9 0 8 0 2 0 02 2 02 4 02 8 03 oo3 2 03 4 03 8 04 2 044 0 4 6 0 5 0 0 5 5 0 行程5 缸筒长度B mm J B/ F 1 0 41 8 -2 0 0 4 附录B ( 资料性附录) 气弹簧活 塞杆直径、缸筒直径与最小伸展力大小选择范围推荐表 气弹簧活塞杆直径与最小伸展力大小选择范围推荐按表B . 1 选取。 轰B. 1 序号活塞杆直径 最小伸展力最小伸展力F , N 行程范围r r u n 推荐范围可选范围 165 0 25 0 5 0 3 5 050 - 4 0 0 282 0 0 4 5 01 0 0 7 0 01 0 07 0 0 31 03 0 0 7 0 01 0 0 - 1 2 0 01 5 0 - 1 1 0 0 41 24 5 0 - 1 0 0 01 5 0 1 5 0 01 5 0 - 1 6 0 0 5 1 46 0 0 - 1 4 0 02 0 0 - 2 5 0 0- - 2 2 0 0 62 01 2 5 0 3 1 0 01 0 0 0 5 2 00- 4 5 0 0