JIS B2709 中文版.doc

日本工业规格扭转螺旋弹簧的设计与性能测试方法 B 2709:20001. 适用范围 本规格针对,在普遍使用的扭转螺旋弹簧中使用圆形断面的材料，冷卷成形的圆筒形螺旋弹簧（以下简称弹簧）的设计及性能测试方法。2. 引用规格 以下规格在本规格中经引用，构成本规格规定的一部分。这些引用规格适用于最新版本。弹簧制图弹簧用语高炭钢丝琴钢丝弹簧用碳素油淬火钢丝阀门弹簧用碳素油淬火钢丝弹簧用不锈钢丝铜及铜合金丝铍铜、磷青铜及锌白铜的棒和丝3. 定义 本规格中用语的定义出自 JIS B 0103。4. 材料 弹簧所用材料如表1所示。使用其它材料的情况由交割双方协定。主要材料的拉伸强度的最小值如参考表1。5. 弹簧设计用的基本公式 弹簧设计用的基本公式如下。 5.2.1无需考虑弹簧扭矩长度的情况（参照图1）图15.2.2需考虑弹簧扭矩长度的情况（参照图2）图25.3设计时需注意的事项5.3.1纵弹性系数 弹簧设计使用的主要材料的纵弹性系数E值如表3所示。表35.3.2弹簧扭转方向和应力的关系 这个公式用最标准的模型：圈数在3圈以上，在弹簧线圈中有向导棒，弹簧一侧的扭臂安装在向导棒同心的回转体上。但需注意以下几点。图35.4设计应力的采用方法5.4.1计算式 在力矩从弹簧卷入方向作用时用（4）式计算，在力矩从弹簧卷出方向作用时用式（14）计算。 5.4.2 受静荷重时弹簧的的容许弯曲应力 受静荷重时弹簧的的容许弯曲应力如图5所示。图55.4.3受反覆荷重时弹簧的的容许弯曲应力 受反覆荷重时弹簧的的容许弯曲应力，需考虑弹簧的下限应力和上限应力的关系、反覆次数以及线的表面状态等会影响疲劳强度的各种因素。参考 以下是预测弹簧寿命的方法的一个例子。琴钢线、阀门弹簧用的淬火线等有良好的耐疲劳性的材料时，用参考图1疲劳强度曲线来推测一般环境下受反覆重荷时弹簧的寿命。 6. 弹簧的形状 随着安装方法、安装场所的不同，而需要不同形状的弹簧，情形非常复杂。如图68所示例。 7. 尺寸及弹簧特性的容许偏差的等级 8. 尺寸及弹簧的特性8.1尺寸及尺寸的容许偏差8.1. 1扭臂的自由角度的容许偏差 弹簧扭臂的容许偏差如表4。但当被指定弹簧特性时仅作参考。表48.1.2弹簧直径的容许偏差 弹簧直径的容许偏差如表5。容许偏差必须适合表5各栏的两个条件中绝对值较大的那个值。表5表68.1.3弹簧长度的容许偏差 弹簧长度的容许偏差如表6。但不适用于密着卷的情况。 容许偏差必须适合表5各栏的两个条件中绝对值较大的那个值。8.1.4扭臂长度的容许偏差 扭臂长度的测量如图9所示对扭臂长l及l1进行测量。它的容许偏差如表7所示。容许偏差必须适合表5各栏的两个条件中绝对值较大的那个值。 图9表68.1.5扭臂弯曲角度的容许偏差 扭臂弯曲角度的测量如图10所示对弯曲角度进行测量。容许偏差如表8。表88.2弹簧的特性及容许偏差 8.2.1弹簧的特性 弹簧的特性主要指指定扭转角度时的力矩，由定购者指定。但由于弹簧末端形状、摩擦以作用时的姿势的不同而不同，只在必要情况进行指定。8.2.2 弹簧特性的容许偏差 弹簧特性的容许偏差如下。这种情况，将扭臂的自由角度作为参考值来指定容许偏差。等级1级2级3级10.030.050.08表9圈数3n1010n2020n302101520表109规格规定方法9.1弹簧制图 弹簧制图来源于JIS B 0004。9.2 规格明细表中记载的事项 规格明细表中记载的事项出自以下项目。a)材料（有材料规格的会记载其型号）b)材料的直径c)线圈平均径d)线圈内径或外径e)圈数f)卷方向g)指定旋转角度时的力矩（指定的情况会明确记载特性的测定方法着力点、向导棒、动作方向等）h)自由角度I)扭臂长度及末端形状（在图中详细规定）J)表面处理（是否经镀、涂）k)用途或使用条件备注 上述a)-k)条目以外的，如有特别需要也有记载。9.3规格明细表的记载 规格明细表中记载的示例如图11所示。10.实验方法 弹簧的试验方法根据弹簧的形状、安装方法、使用部位的不同而不同，对于具体要求，需交割双方协定来进行选择，这里仅介绍一般的实验方法。10.1弹簧的特性 弹簧特性实验测定在8.2中指定的指定旋转角度时的力矩。测定时，从规格明细表中选定所记载项目，用合适的样板测定向导棒的直径，末端扭臂的保持方法及力矩负荷位置。指定旋转角度时的力矩是弹簧由自由状态逐渐使其力矩负荷，测定达到指定旋转角度时的力矩。10.2尺寸 尺寸实验对8.1中指定的项目直接测量、界限表或用其它方法。扭转螺旋弹簧的设计与性能测试方法说明本说明属于正文中规定的事项以及与此相关的事项的说明，不属于规格的一部分。本说明属财团法人日本规格协会编辑发行，有关本说明的任何问题，请向财团法人日本规格协会咨询。1 制定、订正的宗旨及经过1.1制定的宗旨 本规格就扭转螺旋弹簧中，使用圆形断面的材料，冷卷成形圆筒形螺旋弹簧的设计标准以及产品规格的特性进行了规定。1.2此前订正的经过 本规格1976年3月制定，经1987年和1995年2次订正后，于现今（2000年）进行第三次订正。1987的订正做了如下改动：（1）向国际单位的第二阶段转换；（2）在材料中追加了日本弹簧工业协会JSMA No.11(弹簧用硅铬钢、油淬火线)；（3）弹性系数扩大到22以及设置了弹性系数在15到22范围内时对线圈直径的允许范围及线圈长度允许范围等。1995年的订正是基于1990年6月1日第399届标准会议上制定的“”，进行了SI导入。另外由于JIS Z 8301（规格票的样式）于1990年3月进行了修改，因此与此相应对规格票的样式进行了更改。1.3本次（2000年）订正的宗旨 作为重新制定JIS的一环，本次订正以1998年5月1日由财团法人日本规格协会推托社团法人日本弹簧工业会所做的订正草案为契机进行订正。 上一次订正（1995）并没有实质性的更改，a)删除了原来的单位将SI单位作为唯一的规格值，b)JIS Z 8301：1990为基础进行规格样式的更改等形式上的更改，这次收集了用户及弹簧厂商的意见，综合考虑实际情况，力图使之成为使用方便的JIS。1.4本次（2000年）的主要订正点 本次订正的主要订正点如下:a)规格的名称由“扭转螺旋弹簧设计标准”更为“扭转螺旋弹簧设计与性能测试方法”。b)规格票以JIS Z 8301：1996年的为标准。c)与国际规格的一致方面，虽然没有相应的ISO规格，但相关的国外规格有：DIN 2088:1992,ISO 8458-1:1989,ISO 8458-2:1989,ISO 8458-3:1992,ISO 6931-1:1992,与此进行了对照。d)收集了用户及弹簧厂商的意见，综合考虑实际情况，力图使之成为使用方便的JIS。2.适用范围（正文的1） 扭转螺旋弹簧是承受拧力矩(扭矩)的螺旋弹簧。通过弹簧的末端，施与弹簧的力矩会对线圈状的材料进行弯曲力矩作用，使材料产生弯曲应力。于是由外部的拧力矩，弹簧两端产生角位移（弹簧的扭转角度）。压缩或拉伸螺旋弹簧对弹簧材料的选择上，圆形断面的材料要比长方形断面的材料更为有利。但是，对于产生弯曲应力的螺旋弹簧来讲，使用长方形断面的材料在容许应力相同时，材料的效率比较高。然而，由于一般情况下圆形断面的材料比较好买到，较常使用，因此本规格仅限于圆形断面材料在常温加工的情况。但使用长方形断面材料的情况下，将基本公式（2）及公式（4）的断面二次力矩（I）以及断面系数（Z）改为长方形断面的计算公式，便可以本规格为标准。在1995年版的适用范围里记载的关于引用规格的备考，在本规格中移到了2.3.各构成要素的内容3.1定义（正文的3.）条款的名称由“用语的定义”改为“定义”。3.2材料（正文的4.）由于弹簧需要利用材料本身的弹性,因此使用有弹性的材料也并无妨碍。所以，蓄积的弹性势能越高就越好。由于蓄积的弹性势能是材料产生的应力的2次方倍，所以，弹性限度越大，就越适合做弹簧的材料。弹性限度与弹簧的拉伸强度相关，所以拉伸强度高的材料比较好。一方面考虑到弹簧的冲击荷重与反覆荷重，需要它有一定的韧性，另一方面，由于有反覆荷重，所以要求材料的表面状况要好。因此材料的化学成分以及冷热处理对于弹簧的材料来讲都是极为重要的。材料的线径以四次方的倍数影响着弹簧的特性，所以材料线径的容许差越小越好。另外，根据使用条件的不同在上述内容之外，会有对耐蚀性、耐热性以及导电性方面的要求。考虑了种种对弹簧材料的性能要求，在我国材料种类统一为正文表1所示种类。这些材料按照弹簧的用途，在正文表1上以主要用途加以区分。表中一种用途列出几种材料。在选择材料时，需综合考虑成本、弹簧的使用条件、制造条件等并参照规格正确选择。3.3设计计算（正文5.）3.3.1弹簧设计使用的基本公式（正文5.2 及5.3）正文的基本公式如图1、图2所示，在弹簧的内侧有向导棒，力矩（M）围绕弹簧的中心轴发生作用，产生弹簧的旋转角度以及旋转应力。因此，随着弹簧受重的方向，末端承重的条件，和向导棒摩擦的条件等的不同，具体情况需具体分析。本规格省略了这样具体情况的分析，如正文5.3所述设计考虑事项，仅规定了圈数在3圈以上，弹簧的一个扭臂安装在与向导棒同心的旋转体上，弹簧的卷入方向受重的最标准的情况。3.3.2需参考扭臂长短的情况（正文5.2.2）在需参考扭臂长度的情况下，扭臂的长（a1,a2）是将其看作伸臂的近似值。判断是否需要参考扭臂长度的根据是，如果扭臂的长（a1+a2）是（a1+a2）0.09DN时，如果参考起来比较容易则参考。另外如式(1)、式（9）所示，弹簧有效部分展开长度（L）意味着计算上影响弹簧特性的等价长度。3.4设计需注意的事项(正文5.3)3.4.1纵弹性系数（正文5.3.1）事实上，材料的纵弹性系数（E）值和横弹性系数(L)值在冷、热加工后，会产生微小的变化，但弹簧是不受材料尺寸影响的。将此视作弹簧的物理值，进行实验，但一般弹簧的设计上，即使E的值有误差，也并不会有像会以4次方的倍数影响弹簧的特性的直径以及圈数、线圈平均径的误差那样大的影响。因此，作为一般不会影响设计的精度值在表3中列出。表3所示的值是常温下各材料的值。纵弹性系数的值随着温度的变化会有所变化，因此在使用环境温度较高的情况需考虑进行实验。3.4.2弹簧扭转的方向和应力的关系（正文5.3.2）弹簧的设计要求在满足其特性的同时，满足使用空间的限制，并保证必要的寿命。一般，如果弹簧的应力高的话，可以以2次方的比例实现其轻小化。另外，使用不同弹性系数的材料时，如是可以使应力同一化的材料的话，则弹性系数越小越可实现其小型化。鉴于此，正如已在材料说明部分说过的那样，材料的选择极为重要。其次如果材料选定的话，为保证其需求寿命，设计上所需选择的就是合适的应力了。另外，设计好的弹簧能否满足寿命方面的要求，需要进行验证。这种情况下，正如正文所述，弹簧的应力计算需要注意弹簧力矩作用方向是卷入方向还是卷出方向。3.4.4承受静荷重的弹簧的容许弯曲应力（正文5.4.2）所谓的静荷重是指，弹簧在使用状态下荷重几乎没有变化，即使有反覆荷重，在弹簧的使用寿命内也不会超过约1000回的情况。静荷重情况下容许的最大应力在正文图5中以容许弯曲应力的形式已加以图解。图5是针对各钢线拉伸强度的下限作为系数，将其值连接为平滑的曲线。以拉伸强度作为系数时，琴钢线、高炭钢线、油淬火线是0.8，不锈钢线是0.75。冷加工率大的线径1mm以下的细线，降伏比也比较低，所以图左边是小幅度逐渐变低的。对于铜合金的材料，图5没有记载，同样的系数大概取0.75左右合适。另外其它的材料，综合考虑其化学成分加工条件规定相应的系数即可。这里需要注意的是，这些系数或者是图5图上的值是一般的情况，只要稍有变化就会有新的情况。例如，比如限制力矩的离合器的弹簧，这个指数应当更低，相反即使出现了若干差距，由于有空间的限制，不得已的情况下，只能采用拉伸强度附近的应力。接下来，在正文5.3式（15）中弯曲的应力修正系数Kb是线圈内侧的系数，线圈外侧的应力修正系数Kb为Kb=(4c2+c-1)/4c(c+1),是个比1小的系数。因此在弹簧卷入时，线圈外测的拉伸应力是比用公式（4）、（5）及（8）计算出的值小的Kb，线圈内侧为Kb。这种情况对接下来将谈到的承受反覆重荷的弹簧的耐疲劳强度有利。3.4.5承受反覆重荷弹簧的容许应力（正文5.4.3）对于给弹簧加以反覆重荷的情况，一般的做法是，根据不同材料的抗疲劳实验的结果寻找S-N曲线，综合应力振幅选出与要求使用寿命相对应的时间强度或疲劳限度的应力值。设计弹簧时，寻找保证寿命的应力值时，要求适当的数据及一定程度的经验，这成为弹簧设计的一个问题。因此，规定一个实用而简易的应力选择方法成为一个普遍的需求。由于列入本规格的正文中不太合适，于是处于实用角度，在正文中，作为参考，以参考图1的形式记入。参考图1最初由SAE Journal介绍，其后在Associated Spring Corp.的Design Handbook中也被使用。基于材料的拉伸强度的疲劳设计的方法进一步得以改善，为实现判断出拉伸强度，疲劳设计既可根据参考图1就能完成而将上限应力的纵轴下限应力的横轴用应力系数Goodman Diagram来表示。于是为明白应力范围，区分便利的下限应力和上限应力的比，加入了斜线。这个就是延长表示反覆次数的斜线，就会和右上方的拉伸强度的点连接在一起。左纵轴的上限应力系数值直接引用前述文献中的疲劳强度系数。参考图1中上限应力系数0.7处划的横线是表示弹簧误差的允许范围。如果允许极小的误差的话，静荷重的情况下可以将横线移至容许弯曲应力处。此时，表示反覆次数的斜线延长至右上方的拉伸强度方向。一般疲劳现象会伴有一定程度的偏差，在参考图1中表示疲劳破坏的回数是选取大量实验中疲劳破坏率小的，因而信赖性高，在实际设计时，通常是像参考图1的使用例那样，在限度范围内考虑适当的安全性。参考图1是针对琴钢线、阀门弹簧用的淬火线等有良好的耐疲劳性的材料，对于高炭钢线、弹簧用淬火线等是不能直接使用的。在本规格中，应力选取方法的标准在材料规格中规定的拉伸强度的下限处，作为参考表1在JIS中，规定的拉伸强度的下限值在正文末尾处加以表示。3.4.6其它需要注意事项 在弹簧圈数较少时，线圈各部分的力矩处引起波动，另外，由于很容易受到末端支持条件的影响，对线圈各部受同样弯曲力矩作用的基本假设就会不成立。因此基本公式适用于圈数比较多（N3）的情况。此外，线圈排列紧密的话，就会产生相当于拉伸线圈弹簧的初张力的线圈间黏着力，这将成为加荷减荷时的摩擦力，弹簧的特性就会产生滞后现象。如果顺着弹簧的卷入方向加荷的话弹簧的圈数就会增加，这种倾向就将进一步被加强。为防止这样的现象的产生，线圈间应有微小间距。弹簧的圈数增多全长增长的话，受负时就容易扣住。为防止弹簧扣住，加以初张力或是预先施加轴方向的拉伸力都是有效的方法。根据扭转螺旋弹簧的形状、用途加以特别分析的情况要比压缩以及拉伸力矩弹簧多。遇到特殊情况的设计时，要进行必要的分析，希望本规格可以适用。3.5弹簧的形状（正文6）根据安装方法安装场所的不同，弹簧会有各种各样的终端形状，在本规格的草案审议阶段，从弹簧生产商那里收集了一些实用的终端形状，如正文图6图7所示，分扭臂比较短和比较长的两类，按照基本形状加以归类，并分别给各种形状赋予名称。此外，将图8设计为花边形。各种形状需考虑弹簧成形上的难易程度，弯曲R与弯曲R间以及末端的前面部分设计成直线形的比较好。3.6尺寸以及弹簧特性容许偏差的等级（正文7.）在弹簧材料的选择上，计算了扭转力矩、扭转角度以及扭转应力后，对尺寸及弹簧特性，综合考虑使用上的精度及制造上的难度的同时允许有容许偏差。尺寸及弹簧特性的容许偏差分1级、2级和3级三个等级。这是由于弹簧用途有多样性，在符合本规格的同时允许有合理的灵活的处理。这些容许偏差的等级，不是对一个弹簧实行统一的等级，而是根据弹簧使用的条件，每个项目分别选择。在选择时，只选择安装上或性能上有必要的不能不参照的项目的确切等级，其它方面考虑到为使方便制造，允许有容许偏差。3.7尺寸及尺寸容许偏差（正文8.1）3.7.1扭臂的自由角度的容许偏差（正文8.1.1）如后文弹簧特性所述，扭转螺旋弹簧的特性上很少会允许有容许偏差，多数是扭臂的自由角度允许有容许偏差。这是因为如果决定了弹簧的诸因素和扭臂的自由角度，则弹簧的特性就能自己形成。扭臂的自由角度的偏差基本上与圈数成正比，关于其容许偏差，在正文表4中根据相应的圈数做出规定。3.8弹簧的特性及容许偏