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1、波形弹簧的结构和设计,机械设计*19892机械零部件设计一r一一一一一一波形弹簧的结构和设计曹建立陈葆真(庆舯厂u)提要t工程机械里经常使用睬彤弹簧作为强力壤冲和减震弹簧.它具有装配空间小,目4性范国大等优点.但是踪筇弹簧使用寿命较短,稳定?j生较差,以艇不适用于轻或中等裁荷下磔萤的使用.到现在,随着加工工艺,弹簧精料的改进,波形簧已被用于重型戴荷下.本文将对波形弹簧的结构,特点,用逢和基本设计计算作一简要介绍.波形弹簧是用钢板冲压(或用钢条绕制成环状后冲压)成沿圆周方向带有若干个(一般36)正弦波形而形成的垫圈式弹簧.弹簧承受轴向载荷时,渡峰与波谷产生轴向相对位移形成变形能,外加载荷取掉后,
2、在变形能的作用下,恢复原来形状.(图1)从而起到缓冲,减震等作用.一,波形弹簧的结构和类型:波形簧按结构可分为单片型和组合型,按加工方法可分为冲压型和绕制型.1.单片型仅有一层或一圈的波形簧称为单片波形簧(图1).图1波形片弹簧单片波形簧按其制造方法,可分为冲压型和绕制型两种.冲压塑波形簧是把选好的板材在专用的璃县上一次冲压成型.(图2)巷图:冲压型谴形簧的如工绕制型波型簧是把选好的条料,先通过轧轮按需要的圈数(草片蟹只有一圈)绕制并切下,然后再轧出波形.(见图3)圉8兢铺型谴形费的加工冲簧的制作比较容易,可是其冲压切口与金属纤维组织方向垂直,协断了金属材料纤维,将使簧片的质量下降(见图4)爹
3、圈4二种成型簧片比较2.组合型,单片绕型簧的变形和承载能力有限,为了提高波形簧的承载能力和弹簧特性,通常采用使多个单片簧组合而构成组合型波形簧.根据组合方式不同,组合谴形簧分可为并联举(叠台)和串联型(对合).20机械零部件设计机械设计19892I.并联组合(叠合)波型簧多个波形簧片组合时,波峰与波峰相对,波谷与波谷相对的平行叠合称并联组合.(图5,6)并联组合波形簧按加工方式可分为:冲压式并联组合波形簧与绕制式并联组合波形簧.(1)冲压型并联组合波形簧:冲压式并联组合波形簧是多少冲压单片簧平行叠合而成.(图5)这种组合通腰5冲压式韭联组台波形簧常是用来承载能力(刚度).一般情况下,为了保证精
4、度,叠合片数不宜超过6片.其剐度可通过增加或减少单片数量调节.(2)绕制型并联组合波形簧;圈数大于一圈的绕制式波形簧,称为绕制式渡形簧.绕制成平行叠合状的就称为绕制式并联组合波形簧.(图6)图e绕射式韭联组合波形簧绕制式组合波形簧由于不损坏金属微观纤维,其承载能力及应力分布都优于冲压组合簧.它存在的问题是制造较日难.为了保证弹簧的精度绕制簧的圈数一般也不应超过6圈弹簧刚度的调节,通常是提取截取一定数量的圈数(不一定是整数圈)来实现的.2.串联组合(对合)波形簧多个波形簧片(或圈)是以波峰对波谷的对台方式组合起来的波形簧,叫做串联组合波形簧(对合)图7.磐口焊击E.绕制量图7串联式组台被形簧的羹
5、型和结构串联组合(对合)波形簧,按其制造方法也可分为冲压式和绕制式两种.串联组合波形簧主要用于增加弹簧的载荷变形量.般用在需降低刚度,增加变形量的场台.(1)冲压式串联组合波形簧由几个冲压单片簧以对合方式组合的波形簧就是冲压式串联组台波形簧.但是,与并联组合不同的是必须使用专用的装配定位装置才能保证波谷与波峰的对准,并在工作时保持稳定可靠.下面介绍三种组合方式及定位装置.a.定位面法;为了保证弹簧片的对准性,冲压单片簧时冲压出定位面(图7A),在弹簧安装处加工出定位面,这样装配时就可保证对准性.簧片上的定位面可在内径也可在外径,可根据装配情况确定.一般情况下,这类组合的片数不宜超过4片.这种组
6、台方式的优点是简单可靠,其缺点是模具的加工复杂.b.加垫片法:此法对对准性并不要求.只是在单片簧之问夹人垫片,就可达到串联组合的目的.(图7B)这种方法虽然比较简单,却要增加弹簧的安装空间.一般情况下这类组合的片数也不超过4片,中问垫片数不超过3个.机械设计19892机械零部件设计2lc.铆接或焊接法:当弹簧的载荷比较稳定时,可采用铆接法或焊接法组合,以保证组台簧的对准性.使用时,铆接只需一个铆接点即可.焊接则需二个焊接头,以保证可靠性.(图7c,D).无论是铆接或焊接组合,由于铆钉或焊点的存在,都将减少波形簧的载荷变形量.(2)绕制式串联组台波形簧这种组台簧是一种较新型的组台波形簧.它是在绕
7、制过程中使相部二圈波谷与波峰对台而构成的波形簧(图7E).这是一种比较理想的串联组合波形簧,它不象其他类型的串联组台波形簧,无需任何对准定位装置.且工作稳定可靠.一般情况下,圈数限j在4O圈以内.它的问题是需专用的装置加工,制造比较困难.二,波形弹簧的特点1.嘲度范围大,缓冲吸振能力较强,单位体积材料的变形能较大.2.具有变嘲度特性.可通过改变波峰高度n,宽度b,厚度6的不同组台来调正剐度(详见下文设计计算部分).亦可通过组台片数的多少调节刚度.3.与碟形弹簧相具有强度高,柔性好,耐冲击力强等优点.4.结构尺寸紧凑,在同样弹簧参数条件下,需要的安装空间较小.三,波形弹簧的用途由于波形簧具备以上
8、特点.近年来,在国外的使用越来越广泛.常用于汽车,拖拉机离台器的定位,齿轮传动机构中的定位,液压缸,无级调速皮带轮,机械和仪表传动机构中的压紧弹簧.此外,也广泛用于石油和化工设备中的安全间结构中.四,波形弹簧的设计计算在设计波形簧时,一般只计算单片波形簧的参数.组台簧只需用片数乘(或除)以单片簧的参数即可求得.1.波形簧的结构图及主要参数t波形簧结构图见图l.主要参数的确定见下裹主要参数名称代号推荐值单位单片厚度60.30.6盘度b=(5】0)8外径DWDw=(10】6)6内径DNDN:DW一2b渡形正弦波形被数n=86高度(单片)hhj(12)b载荷pkgf2.波形簧的设计计算t1.波形簧的
9、受力分析(单片)弹簧片承受的轴向载荷P均句分而在正弦波形的波峰上.支反力均匀分布在波谷上.(图8)波形簧沿圆周方向承受弯益簧扭转载荷.图8波形簧受力分析展开匿各点的载荷平均为导(P=P,).(图9)2.弯曲应力计算.22机械零部件设计机械设计1989批2图9被数d=3的渡簧受力分析波形簧主要承受弯矩,只需计算弯曲压力.最大弯曲应力mx=鼍譬z(1)式中,rDW+_一DNr一中点半经3.装配载荷P当P<Pi时P:(2)3r0式中?E一弹性模量4.载荷与变形的关系;当PiP时波形簧片的变形量f为:f-_2n(3)bb.E,考虑到加工时产生的尉加应力,并把(2)代入(3)简化后得tr=詈c,?
10、J当P:Pi时f=(h一6)当P=P.时P.=一f=h一&弹簧被压平当PPi时,变形量f与P成正比,鄱载荷越大,变形量成正比增加.P=Pt是【捌极限,当PIP<P时f与P成非线性关系(图10).壤10辘麓与变形关幕因此在设计时应考虑使设计载荷小于计算得到的装配载荷.5.刚度计算tIa.单片波形簧.M=器=3p.3当P=Pf时M=(6)b.组台波形簧刚度计算?(1)并联塑台渡形簧tMzMz=nM(7)式中.M一单片簧刚度n簧(圈)数变形量fE=喜f一单片簧变形量(2)串联组台波形簧tM:fz=nf6.计算安全系数m不产生屈服变形的安全系数.rl=L(8)式中t一材料的拉仲变形极限值
11、.一般钢材B=(2.53)L(L一试件长度)e一弹赞J的最大线性变形,可由下式计算?:=竽(9)一一j式中H=h+一弹簧成型时的变形量=一.一士)cI.)式中,Y一强化处理系数Y=詈或2.02.5(11)式中:f一扭转应变对于理想弹性材料tE下转l0嚣)静/一1o可靠性与失效分折机被设计19892一_.一一75%以上的产品具有700小时以上的寿命下限的比值分别是:期由于单缸柴油机实际使用情况与实验室试验情况差别很大,尽管X195柴油机按照NJ28983耐.久试验规范进行,台架耐久试验比较苛刻,但与配手挟拖拉机,抽水机组,发电机组的实际配套使用情况相比,在负荷使用环境的空气台尘量,燃油和润措的质
12、量以及配套安装平稳牢固等均存在着很大的差别,特别是配手扶拖拉机其情况同实驻室相比,其差距就显得特别犬.因此,必须作柴油机的配套使用可靠性实验.设想,同样方法抽取的9台x195柴油机作手扶拖拉机和发电机组的非参数定时截尾可靠度寿命布点试验.假定试验结果是t手拖配套试验有3台在700d时内发生故障则计算得最低可靠度RL拖:0.4O发电机组有2台在7OO小肘内发生故障,则最低可靠度RL=O.51这样,通过实际布点试验可得到的可靠度寿命期下限与实验室的试验可靠度寿命期(上接22页)“=乎(12)理想弹性材料屈服极限/参考文献1.New0ptionsf0rWaveSPRjngMcbel(;feenliJ
13、JChiefEgieerSeIIerSfeelRtagCO2.机械工程手册第五册30篇,弹簧,凸轮第4章其他形扶的金属弹簧1084.3手拄拖拉机o?.发电机纽q=一善bl=0.8.V?Uo上述比值表明,配手拖的可靠度只有实验室的6O即低40%,配发电机组的可靠度要比实验室低2,3%,这样,我们就只需通过实验室的试验寒估计宴际配套使用的可靠度.这就为以后新产品开发和产品改进后的实际使用可靠度估计提供了依据.出于造成机器的失效园素很多,因此失效的分布是很分散的,要搞清其分布规律,必须作很多的使用试验,这样,只有通过用户的使用失效信息反竣的大量数据来进行统计分析,才能找出分布规律,在此基础上就可减少试验费用,简洁地求出产品的可靠度,这也是我们在非参数估计注的基础上要进一步作的工作参考文献1-2-刘建候t可靠性基础及其应船,机械工业韶仪表工业厨质虽处出艇,l986年.(上掳29页)参看文献j.机械工程手册第s2:业轻传动,机牲工业出版社-1980年2.GB38082.l黼开线圆柱齿轮承薮能力计算方法,中国标准出版柱1983年3.余悭.廖道训是优方法及应用华中工学腕出版社?l984年4.李铡刚.=毁K拦齿轮准述器优ic设计机挑设,19e5牛第2