弹簧设计标准版.ppt

1,泰州成兴汽车部件有限公司,弹簧设计,2,弹簧的分类,弹簧的分类springclassification弹簧的分类有多种，一般按照如下区分:Springhasavarietyofclassification.Generally,springisclassifiedasthefollowing：根据使用的材料分Accordingtotheusingmaterial：,铁制弹簧Ferroussprings,非铁金属弹簧Non-ferroussprings,合金钢弹簧Alloysteelsprings,铜合金弹簧Cooperalloysprings,镍合金弹簧Nickelalloysprings,其他Theothers,金属材料Metalmaterial,其他Theothers,3,非金属材料Nonmetalmaterial,螺旋弹簧Helicalsprings,板（片）弹簧Leafsprings,特种弹簧Specialsprings,压缩弹簧compressionsprings,拉伸弹簧compressionsprings,扭转弹簧torsionsprings,橡胶弹簧rubbersprings,流体弹簧fluidsprings,合成树脂弹簧syntheticresinsprings,其他类弹簧theothersprings,根据形状分：Accordingtotheappearance.,其他类弹簧theothersprings,4,压缩弹簧CompressionspringsCompressionSpringsarespringswhichabsorbandstoreenergybyofferingresistancetoapushingforce.Mostcompressionspringsareastraightcolumniformspringmadeofroundwire.压缩弹簧是通过推压弹簧来存储能量的，大部分的压簧是直的圆柱型圆钢丝弹簧。,拉伸弹簧ExtensionspringsExtensionSpringsarespringswhichabsorbandstoreenergybyofferingresistancetoapullingforce.Typically,extensionspringsaremadefromroundwireandareclosewoundwithinitialtension.拉伸弹簧是通过拉弹簧来存储能量的，在初始状态，大部分拉簧是圆钢丝且弹簧钢丝之间是并紧没有间隙的。,常用的三种弹簧的介绍Theintroductionofthreecommonsprings,5,扭转弹簧torsionsprings,Atorsionspringisaspringthatworksbytorsionortwisting;thatis,aflexibleelasticobjectthatstoresmechanicalenergywhenitistwisted.Thearmsofthetorsionspringsrotateaboutthecentralaxis.,扭转弹簧力是通过是通过扭转弹簧来存储能量的，弹簧的臂是围绕一个中心轴在转动的。,6,常用材料介绍,弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn,50CrMn,30W4Cr2V,等。a.碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。b.大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度850度左右之油或水中，再施以400度500度的温度回火。c.小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，捲成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。d.琴钢丝是属高炭钢材（0.650.95%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。e.不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。f.油回火线含碳量0.60.7%应含锰，0.61.0%常用于螺圈弹簧，g.板弹簧常用0.91.0%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。,7,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,3.1材料的几个强度定义Definitionsofsomestrengthofmaterials：极限抗拉强度Ultimatetensilestrength-Sut（单位unit：MPa）抗拉强度指材料在拉断前承受最大应力值.Ultimatetensilestrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialbeginstobreak.(Themaximumstressamaterialcanwithstandwhensubjectedtotension,Sut可以通过查询手册得到，也可以通过以下公式计算：ThevaluesofSutcanselectfromsomespringhandbooks,alsocancalculateaccordingtothefollowingformulas.Sut=196000/d0.146(Unit:psi-单位为英制的)Sut=1351/（d/25.4）0.146(Unit:MPa)其中,d为弹簧材料的线经。dmeanswirediameter.,8,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,材料的几个强度定义Definitionsofsomestrengthofmaterials：屈服强度Yieldstrength-Sy（单位unit：MPa）屈服强度是材料开始发生永久变形或者塑性变形的应力。Theyieldstrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialbeginstodeformpermanentlyorplastically.剪切强度Shearstrength-Ssy（单位unit：MPa）剪切强度是指材料承受剪切力的应力.Shearstrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialfailsinshear.三者关系见下图（Therelationshipasfollowingfigure)：,9,二、弹簧的设计应力Somedesignstressofsprings,张应力Tensionstress张应力是由于轴向拉升材料所产生的应力。Tensionstressisthestressstatecausedbyanappliedloadthattendstoelongatethematerialintheaxisoftheappliedload,intheotherwordsthestresscausedbypillingthematerial.压应力Compressionstress压应力是由于轴向压缩材料所产生的应力。Compressionstressisthestressstatecausedbyanappliedloadthatactstoreducethelengthofmaterialintheaxisoftheappliedload,inotherwordsthestressstatecausedbysqueezingthematerial.张应力和压应力的公式如下Theformulasasfollowing：=F/A其中，F为力(N)/A为面积(m2)whereFisforce(N)actingonanareaA(m2);,10,二、弹簧的设计应力Somedesignstressofsprings,弯曲应力Bendingstress弯曲应力是由于弯曲材料所产生的应力。Bendingstressisthestressstatecausedbyanappliedloadthattendstobendthematerialintheaxisoftheappliedload,intheotherwordsthestresscausedbybendingthematerial.对于扭簧，它给出的是扭力，但是有限元上主要应力为弯曲应力。Torsionspringgivetorsionalfore,butthewireareloadedinbendingstress.,Bendingstress,注意！Tip!,11,二、弹簧的设计应力Somedesignstressofsprings,扭转应力Torsionalstress扭转应力是由一对平行的方向相反的力作用材料上所产生的应力。Torsionalstressisstatecausedbyapairofopposingforcesactingalongparallellinesofactionthroughthematerial。对于压簧和拉簧，它给出的是轴向的力，但是有限元上主要应力为扭转应力。Tensionandcompressionspringsgiveaxialloads,butthewireareloadedintorsionalstress.,注意！Tip!,torsionalstress,12,二、弹簧的设计应力Somedesignstressofsprings,疲劳强度Fatiguestrength疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度。Fatiguestrengthisthemaximumstresslevelthatamaterialcanwithstandaninfinitenumberofcyclesbeforedamage.,S-Ncurveforsteel,13,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,3.1材料的几个强度定义Definitionsofsomestrengthofmaterials：极限抗拉强度Ultimatetensilestrength-Sut（单位unit：MPa）抗拉强度指材料在拉断前承受最大应力值.Ultimatetensilestrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialbeginstobreak.(Themaximumstressamaterialcanwithstandwhensubjectedtotension,Sut可以通过查询手册得到，也可以通过以下公式计算：ThevaluesofSutcanselectfromsomespringhandbooks,alsocancalculateaccordingtothefollowingformulas.Sut=196000/d0.146(Unit:psi-单位为英制的)Sut=1351/（d/25.4）0.146(Unit:MPa)其中,d为弹簧材料的线经。dmeanswirediameter.,14,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,材料的几个强度定义Definitionsofsomestrengthofmaterials：屈服强度Yieldstrength-Sy（单位unit：MPa）屈服强度是材料开始发生永久变形或者塑性变形的应力。Theyieldstrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialbeginstodeformpermanentlyorplastically.剪切强度Shearstrength-Ssy（单位unit：MPa）剪切强度是指材料承受剪切力的应力.Shearstrengthisdefinedasthestressatwhichamaterialfailsinshear.三者关系见下图（Therelationshipasfollowingfigure)：,15,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,如：对于琴钢丝的材料，有如下关系：Formusicwire,ithasthefollowingRelationship:Sy=0.75SutSsy=0.577Sy对于设计扭簧的时候，材料主要承受的应力为弯曲应力，所以设计应力选用Sy；但设计拉伸和压缩弹簧时，设计应力选用Ssy.Fortorsionspring,thewireareloadedinbendingstress,sothedesignstressshouldbechooseSy,butthecompressionandextensionspringshouldbechooseSsy.,Figureofstress-straincurve,16,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,以下是一些常用材料的Sut值SomeSutforthecommonmaterialasfollowing：,设计弹簧时，初始的计算可以选用上表的数值。Selectvaluesfromtheabovetableforinitialcalculationofspring.,17,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,3.2弹性模量Modulusofelasticity弹性模量是应力-应变曲线直线部分的斜率。Modulusofelasticityisdefinedastheslopeofitsstress-straincurveintheelasticdeformation,FigureofStress-straincurve,=Stress/Strain单位(uint)：MPa,18,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,两者之间的关系（therelationshipbetweenthetwomodulus)：E=2G(1+r)其中，r为泊松比where,rstandsforpoissonratio,每种材料都有两种弹性模量Everymaterialhastwomodulusofelasticity:,拉伸弹性模量（简称弹性模量）E，是用来设计扭转弹簧。TensileElasticitymodulus(YoungsmodulusE)whichusedtodesigntorsionspring,切变弹性模量(简称切变模量)G，是用在拉伸或压缩弹簧。Shearmodulus(G)whichusedtodesignofcompressionandextensionspring.,19,三、弹簧材料的强度和的特性Strengthofmaterialsandmaterialproperties,琴钢丝的一些特性Somepropertiesofmusicwireasfollowing:,20,四、弹簧设计需要考虑的参数Designconsiderationsforsprings,1根据使用的要求，选择合适的弹簧的形状，种类和端部结构。Selecttherightkindofsprings,theappearanceandendofspringsaccordingtotheusingrequirements.2根据给定的空间，定出弹簧的外形轮廓尺寸。如，允许的最大外径，最小内径，变形量，弹簧刚度，弹簧的力值等。Accordingtothespace,thebasicsizesofspringcouldbedetermined.Forexample,themaximumoutdiameter(mm),theminimuminnerdiameter(mm),springrate,themaximumdeflections(mm)andthemaximumloads(N)duringassembly.3根据使用情况，如对工作温度，环境介质，使用寿命等选择合适的材料。Selecttherightmaterialaccordingtotheoperatingtemperature,environmentalmedia,enduranceliftandsoon.4根据使用条件的载荷特性决定材料的许用应力。Decidethemaximumallowablestressaccordingtotheloads.,21,其它应考虑的事项弹簧指数c：弹簧指数减小会导致局部应力过大。另外，弹簧指数较大或较小时，加工性也成问题。因此，热轧成型时，弹簧指数可在415的范围内选择。冷轧成形时，弹簧指数可在422的范围内选择。纵横比：为了确保有效圈数，压缩弹簧的纵横比（自由高度与螺旋平均直径之比）可设定为0.8以上，另外，在考虑到端部磨平圈的情况下，一般可在0.84范围内选择。有效圈数：如果有效圈数为3以下，弹簧特性则会变得不稳定，因此应将弹簧指数设定为3以上。节距：节距超过0.5D时，由于螺旋直径通常会随着绕曲量(负载)的增加而发生变化，需要对利用基本公式求出的绕曲量与扭转应力进行修正，因此应将节距设定为0.5D以下。一般来说，节距利用下述简算式进行推算,四、弹簧设计需要考虑的参数Designconsiderationsforsprings,22,二、弹簧使用之材料及其用途,23,二、弹簧使用之材料及其用途,24,三、弹簧设计资料,25,三、弹簧设计资料,26,三、弹簧设计资料,弹簧定数K=,弯曲应力=,（安全确认）1.安全角（螺旋角）推荐值（59）度2.弹簧指数C参考GB/T1239.63.许用切应力参考弹簧手册210页（一般0.5一下永不变形4.稳定性，最大工作载荷Fm临界载荷Fc/(2-2.5)；Cb=fc/Ho;b=Ho/D;Cb是不稳定系数；b是高径比；Ho是自由长,荷重P=K,Gd4,8DNa,8DPK,d3,3,K=,4C-1,4C-4,+,0.615,C,压缩弹簧,(无研磨),(研磨),27,1拉伸弹簧和压缩弹簧设计的公式Designformulasofcompressionandextensionsprings(1)弹簧刚度Springratek：,k也可以用下列公式计算：kalsobecalculateasfollowingformula:k=P/F注：当选择P,F计算时，需要大于弹簧变形量的20%，小于弹簧变形量的80%。如右图中P1-P2及F1-F2之间。,Note:WhenchoosethePandFtocalculaterate,thevaluesshouldbetween20percentand80percentofspringdeflection.,28,三、弹簧设计资料,荷重,P=k+Pi,初张力,Pi=,d4G,800D2,Gd4,8D3Na,K=,弹簧定数,弯曲应力,自由长,8DP,d3,=,L0=d(N+1)+2.2(D-d),k,（安全确认）扭转应力容许限界以下弯曲应力容许限界以下初张力的减少（最大引张时）,引张弹簧,29,三、弹簧设计资料,(臂长度的场合),弹簧定数不清,荷重,弯曲应力,(安全确认),弯曲应力,容许限界以下,kTd=,Ed4,3667DN+389(a1+a2),P=,R,kTdd,=,Edd,360DN,=,32PR,d3,kb,kb=,4C2C-1,4C(C-1),扭力弹簧,30,日本JISB27042709摘要,弹簧特性的许容差表3-7冷间成形压缩线圈弹簧的寸法及弹簧的特性许容差。项目许容差或范围（a）有指定的弹簧特性时要做为参考值.（b）没指定弹簧特性时要参考次表.,自由高度,D/d,2019/12/13,31,可编辑,32,线圈直径是内径或外径的选那一方规定,其数值是按照如下表,线圈直径,等级,日本JISB27042709摘要,33,日本JISB27042709摘要,（a）,总卷数,(a)有指定的弹簧特性时要做为参考值.（b）没指定弹簧特性时要参考次表(20T以下，1/4T).进行端面研削弹簧的线圈外侧面面的倾斜许容限度如下表：,注：H。：自由高度括弧内的倾斜角度,34,日本JISB27042709摘要,弹簧特性,指定,弹簧特性是要把指定高度时的荷重指定,但是需要弹簧定数时,也可以指定这个公差.,指定长度的荷重,等级,指定高度时的荷重是这时的垂度是规定于试验荷重时的垂度2080%之间.,35,日本JISB27042709摘要,弹簧定数是在於试验荷重时的垂度3070%之间的2个荷重点,按照荷重的差和垂度的差来规定.,弹簧定数,有效圈数,36,自由高度,D/d,日本JISB27042709摘要,b)没有弹簧特性指定时自由长许容差是按照如下表.,a)有弹簧特性的指定时自由高度要做为参考值。,项目许容差或范围,3-8冷间成形引张线圈弹簧的寸法及弹簧的特性许容差.,37,日本JISB27042709摘要,线圈直径的许容差是用外径来规定,其数值是按照如下表,线圈直径,D/d,总卷数及钩环,总卷数是原则上做为参考值，钩环的对向角、偏中心、倒、突出的许容差是依从于收付当事者间的协商.,38,日本JISB27042709摘要,一般设计参照下表：,对向角,等级,圈数,D/d,当：指数（D/d）大于15时，圈数超过40T，双方协商，但最小角度不小于40.,39,日本JISB27042709摘要,指定长度的荷重,指定,弹簧特性,弹簧特性是指定于指定长度时的荷重，但是特别需要弹簧定数时也可以指定.,对于有效卷数3以上的弹簧，指定长度时的许容差是如下：,(初张力)+(指定长度时的荷重-初张力),在这里(初张力的平衡度)和(对于垂度荷重的平衡度)是依各如下表,40,日本JISB27042709摘要,指定长度时的荷重是,规定于其试验时的垂度是试验时的垂度2080%之间,但是指定长度时的垂度是做为4mm.,弹簧定数,有效圈数,弹簧定数是在於试验荷重时的垂度3070%之间的2个荷重点,按照荷重的差和垂度的差和垂度来规定.,41,日本JISB27042709摘要,1-3扭线圈弹簧（1）弹簧的形状弹簧的端末形状是依安装方法、安装地方而需要特殊的形状，也非常复杂这里的图3-33-5形状的形状大致区分图3-3基本形状(a)短的钩环(b)折角(c)直线起码,42,图3-4基本形状（a）直线段(b)1段弯曲(c)工段弯曲(d)钩环,日本JISB27042709摘要,43,日本JISB27042709摘要,图3-5双扭簧(2)尺寸及弹簧特性(2.1)许容差的等级尺寸及弹簧特性的许容差等级是,1级,2级,3级,这等级是每各项目应于各种各样的需要而独立选定,但没有特别需要的许容差是不指定.,(2.2)尺寸及允许差，弹簧的尺寸是依从指定，尺寸许容差是依从如下.,44,日本JISB27042709摘要,（1）杆的自由角度，有弹簧特性的指定时，杆的自由角度是做为参考值，没有弹簧特性的指定时杆的自由角度许容差是依表3-9表3-9杆的自由角度的许容差