玻璃破碎器弹簧动力设计.doc

东风汽车公司技师学院东风汽车公司技师学院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 课题名称课题名称 玻璃破碎器弹簧动力设计玻璃破碎器弹簧动力设计 专专 业 业 机械制造及自动化机械制造及自动化 学生姓名 学生姓名 涂诗群涂诗群 学学 号 号 024 班班 级 级 JS817 指导老师 指导老师 教学校长 教学校长 时时 间 间 2012 2 13 2012 5 6 1 摘要 本文利用材料的弹性和弹簧结构的特点 使它在产生或恢复变性时 能够 把接卸功或动能转变为变性能 或把变形能转变为机械功或动能 正是由于这 种特性 使弹簧可用于机械产品的减震或缓冲 控制运动 储存能量 测量力 和扭矩 并可作为机械的动力 关键词关键词 机械动力 弹簧 II Abstract This paper uses the elasticity of the material and the structure of the spring characteristics making it in the production or recovery of degeneration able to discharge power or kinetic energy into variable properties or the deformation energy into mechanical work or energy It is because of this characteristic so that the spring can be used for mechanical product the shock or buffer movement control energy storage measurement of the force and torque and can be used as a mechanical power Key words power machinery spring III 目录 摘要摘要 I Abstract II 1 绪论绪论 1 1 1 课题来源背景 1 1 2 国内外研究的现状 2 1 3 弹簧动力应用的领域 3 2 产品介绍产品介绍 4 2 1 产品的原理介绍 4 2 2 产品的功能介绍 5 2 3 产品的结构介绍 5 3 弹簧的概述弹簧的概述 8 3 1 弹簧的原理 8 3 2 弹簧的分类 9 3 3 弹簧的功能 12 4 弹簧材料弹簧材料 14 4 1 热轧成形的弹簧用钢 14 4 2 冷轧弹簧用钢 17 4 3 非金属材料 22 5 弹簧的设计弹簧的设计 23 5 1 材料的选用 23 5 2 螺旋弹簧的选用 23 5 3 车窗的载荷计算 24 5 4 弹簧设计计算 26 6 弹簧的检测弹簧的检测 28 6 1 外观检测 28 6 2 尺寸检测 28 IV 6 3 质量检测 28 结语结语 30 致谢致谢 31 参考文献参考文献 32 1 1 绪论 1 1 课题来源背景 每当乘坐公交车时 都可以看到车上配有安全锤 安全锤 是一种封闭舱 室里的辅助逃生工具 它一般安装于汽车等封闭舱室内容易取到的地方 在发 生车内出现火灾或汽车落入水中等紧急情况下 可以方便取出并砸碎玻璃窗门 以顺利逃生 汽车安全玻璃分为夹层玻璃 钢化玻璃和区域钢化玻璃三种 汽 车前挡风玻璃普遍采用安全性更好的夹层玻璃 除前挡风之外 汽车玻璃均为 钢化玻璃 钢化玻璃又称强化玻璃 加热到一定温度后迅速冷却的方法 或是化学方 法进行特殊处理的玻璃 它的特性是强度高 其抗弯曲强度 耐冲击强度比普 通平板玻璃高 3 5 倍 安全性能好 有均匀的内应力 呈网状裂纹 主要用于 门窗 间隔墙和橱柜 化玻璃还在耐酸 耐碱 钢化玻璃又称强化玻璃 加热到一定温度后迅速冷却的方法 或是化学方 法进行特殊处理的玻璃 它的特性是强度高 其抗弯曲强度 耐冲击强度比普 通平板玻璃高 3 5 倍 安全性能好 有均匀的内应力 呈网状裂纹 主要用于 门窗 间隔墙和橱柜 玻璃还在耐酸 耐碱 随着城市的不断发展 人口的膨胀 以及公交优先发展战略的推行 越来 越多的人选择公共交通出行 而公共交通工具上人员众多 空间狭窄拥挤 出 口较小 存在着较多的安全隐患 普通的用于公交车上的辅助逃生工具安全锤 容易被盗 安全锤在使用时存在空间限制问题 且紧急情况下 乘客很难在短 时间内拿到安全锤并找到合适击打点正确使用 鉴于此 我们设计发明了新型 的自动破窗器 该作品的设计背景是源于传统安全锤的不可靠性与易丢失性 其目的在于 设计出可以实现自动有效击打破碎玻璃的新型自动安全锤 使得在紧急情况下 使破窗的工作由人手挥动击打变为最优点固定自动击打 能够定点 自动 快 速的击破玻璃 使人员迅速逃离危险现场 2 1 2 国内外研究的现状 随着城市的不断发展 人口的膨胀 以及公交优先发展战略的推行 为了 在发生危险时能让乘客迅速破窗逃生 在公交的适当地方都配置了安全锤 当 前配备的安全锤基本上是一样的 这种传统型安全锤小巧轻便 易于摘取 很 容易被一些人顺手牵羊 经常出现刚装好几天就全部 消失 的状况 2009 年 6 月成都的公交车燃烧事件就有力证明了传统安全锤防盗方面的缺 陷 为解决传统安全锤易丢失的问题 宁波龙格尔仪表有限公司设计了 DSC 智 能防盗逃生锤 本逃生锤具有声光报警功能 其在支架上正常固定放置时报警 功能关闭 当逃生锤脱离支架时 逃生锤被触发发出声光同步报警 只有将逃 生锤重新放回支架 报警才会停止 这样 及时的提醒和制止了人为的误动 起到了防丢失的作用 但其本质仍是人手用力挥动安全锤敲打玻璃 当紧急情 况出现时 由于乘客情绪紧张 心情急躁 很难在短时间内拿到安全锤并找到 合适击打点正确使用 同时 如遇翻车等事故 乘客活动受到空间的限制 特别是一些老弱病残 人群 更不容易施力挥动锤子 则安全锤也很难有效使用 目前在国内有两种 非人手挥动的安全锤 一种是当前安装在成都 650 路公交车上的一种新型环保 锤 它采用 嵌入式 设计 改变了安全锤的安装位置和击打方式 车窗右上 角有一个红色按钮 按钮里面是安全锤 遇到危险的时候 顺时针旋转环保锤 90 度 然后掌击环保锤 通过里面设置的高强度硬质合金 就能破碎玻璃逃生 另一种是杭州公交集团退休职工吴宝发研制的一种新型弹力逃生锤 它比 可乐罐略小 罐 里有压缩弹簧与撞锤 罐 外有拉环和封盖 在紧急情况 下 人只要揭开封盖 拉动拉环 压缩弹簧就会驱动撞锤 击碎玻璃 它可以 安装在车窗边缘 通过击打钢化玻璃的应力点打碎整幅玻璃 这种固定在上面 的安全锤不易取走 可以避免传统安全锤因为丢失造成无法应急的问题 3 1 3 弹簧动力应用的领域 大多数材料都有不同程度的弹性 如果将其弯曲 便会以很大的力量恢复 其原形 在人类历史上 一定很早就注意到树苗和幼树的树枝有很大的挠性 因为许多原始文化利用这一特性 在特制的门后或笼子后楔上一根棍 或者用 活结套在一根杆上向下拉 一旦松开张力 这根棍或杆就会往回弹 他们就用 这种办法来捕捉飞禽走兽 实际上 弓就是按这种方式利用幼树弹性的弹簧 先向后拉弓 然后撒手 让其回弹 中世纪时 这种想法开始出现在机械上 如纺织机 车床 钻机 磨面机和锯 操作者用手或脚踏板给出下压冲程 将 工作机械往下拉 这时用绳索固定在机械上的一根杆弹回 产生往复运动 弹性材料的抗扭性不压于它的抗挠性 希腊帝国时期 大概是公元前 4 世 纪 发明了用搓成的腱绳或毛绳拉紧的扭簧 用以代替简单的弹簧来加强石弩 和抛石机的威力 这时人们开始认识到 金属比木头 角质或任何这类有机物 质的弹性更大 菲洛 其写作年代约为公元前 200 年 把它作为一项新发现来 进行介绍 他估计读者是难以置信的 凯尔特人和西班牙人的剑的弹性 引起 了他的亚历山大城的前辈的注意 为了弄清楚剑为什么有弹性 他们进行了许 多实验 结果他的师傅克特西比发明了抛石机 抛石机的弹簧是用弯曲的青铜 板作成的 实际上是最早的片簧 菲洛本人又进一步改进了这些抛石机 富 有创造性的克特西比在发明这种抛石机后 又想出了另一种抛石机 它利用 汽缸内空气在受压的情况下产生的弹性工作 在很久以后人们才想到 如果压缩一根螺旋杆 而不是弯曲一根直杆 那 么金属弹簧储存的能量就会更大 据伯鲁涅列斯基的小传记载 他制作过一口 闹钟 其中使用了若干代弹簧 最近有人指出 在附有一些奇特的螺旋弹簧钟 表图的 15 世纪末叶的一本机械手册中有这架闹钟的图样 这类弹簧也用于现代 的捕鼠器 带圈簧 水平压缩而不是垂直压缩的弹簧 的钟表 在 1460 年左 右肯定已开始使用了 但基本上是皇室的奢侈品 大约又过了 1 个世纪 带弹 簧的钟表才成为中产阶级人士的标志 制作弹簧的主要材料有 优质碳素钢 合金钢 有色金属合金等 4 2 产品介绍 2 1 产品的原理介绍 该自动破窗器利用了弹簧的储能原理 依靠弹簧提供打击力 该破窗器主 要由壳体 冲击杆 压缩弹簧 启动拉手四部分组成 通过启动拉手使压缩状 态的弹簧产生冲击力 从而带动冲击杆完成打击 可应用在普通公共交通工具 私家车 商场 写字楼和住宅等地 紧急情况下 使破窗的工作由人手挥动击 打变为最优点固定自动击打 能够定点 自动 快速的击破玻璃 使人员迅速 逃离危险现场 不仅解决了传统安全锤易丢失问题 而且启动形式多样 方便 灵活 并且造价低廉 具有极高的应用价值与发展前景 图 2 1 工作原理图 1 壳体 2 冲击杆 3 压缩弹簧 4 螺栓 5 挡板 6 拉手 5 2 2 产品的功能介绍 由于这种车辆应急击碎车窗玻璃的机构的弹力装置是设置在车体的上端 它 的发力运动空间不受限制 当意外情况发生时 车厢内的乘客只需伸手将置于 车体内的启动拉手往下拉动 利用弹簧的储能原理 将车体上端由锁闭装置锁 闭的玻璃冲击杆 顶起突破其约束区域 弹发装置的强劲弹发力的此时暴发 玻璃冲击杆借力弹起 产生的巨大冲击力一举就能将车窗玻璃击碎 这一过程 的时间将在瞬间完成 从而给车内逃生的乘客赢得极为宝贵的时间 因此该机 构具备有优异的应急安全逃生条件 2 3 产品的结构介绍 1 壳体 图 2 2 壳体 壳体为本产品的主要组成之一 为其他部件提供载体 2 冲击杆 6 图 2 3 冲击杆 冲击杆为本产品的主要组成之一 整个冲击杆成圆柱形 冲击杆直接破碎 的装置 对于其材质也有高的要求 但出于对成本的控制采用的碳素钢 镀锌 撞针的尖头成 60 锐角 拍击产生的冲击力集中与撞针的尖交 对钢化玻璃进 行破碎任务 3 拉手 图 2 4 拉手 拉手为本产品的启动装置 启动拉手才能使本产品运作 从而达到击碎玻 璃的效果 7 4 螺栓 图 2 5 螺栓 本产品的紧固装置 固定壳体和挡板 使本产品便于安装 5 压缩弹簧 图 2 6 压缩弹簧 本产品的动力装置 为本产品提供足够的动力来击碎玻璃 8 3 弹簧的概述 3 1 弹簧的原理 弹簧只是个蓄能器 它有储存能量的功能 但不能慢慢地把能量释放出来 要实现慢慢释放这一功能应该靠 弹簧 大传动比机构 实现 常见于机械表 弹簧很早很早之前就有应用了 古代的弓和弩就是两种广义上的弹簧 弹簧严 格意义上的弹簧发明家应该是英国的科学家虎克 RobertHooke 虽然那时螺旋 压缩弹簧已经出现并广泛使用 但虎克提出了 虎克定律 弹簧的伸长量 与所受的力的大小成正比 正是根据这一原理 1776 年 使用螺旋压缩弹簧的 弹簧秤问世 不久 根据这一原理制作的专供钟表使用的弹簧也被虎克本人发 明出来 而符合 虎克定律 的弹簧才是真正意义上的弹簧 胡克定律的表达式为 F k x 或 F k x 其中 k 是常数 是物体的劲 度 倔强 系数 在国际单位制中 F 的单位是牛 x 的单位是米 它是形变量 弹性形变 k 的单位是牛 米 倔强系数在数值上等于弹簧伸长 或缩短 单 位长度时的弹力 弹性定律是胡克最重要的发现之一 也是力学最重要基本定律之一 在现 代 仍然是物理学的重要基本理论 胡克的弹性定律指出 弹簧在发生弹性形 变时 弹簧的弹力 Ff 和弹簧的伸长量 或压缩量 x 成正比 即 F k x k 是物质的弹性系数 它由材料的性质所决定 负号表示弹簧所产生的弹力与其 伸长 或压缩 的方向相反 材料力学和弹性力学的基本规律之一 由 R 胡克于 1678 年提出而得名 胡克定律的内容为 在材料的线弹性范围内 固体的单向拉伸变形与所受的外 力成正比 也可表述为 在应力低于比例极限的情况下 固体中的应力 与应 变 成正比 即 式中 E 为常数 称为弹性模量或杨氏模量 把胡克 定律推广应用于三向应力和应变状态 则可得到广义胡克定律 胡克定律为弹 性力学的发展奠定了基础 广义胡克定律中的系数 Cmn m n 1 2 6 称为弹性常数 一共有 9 36 个 如果物体是非均匀材料构成的 物体内各点受力后将有不同的弹性效应 因此一般的讲 Cmn 是坐标 x y z 的函数 但是如果物体是由均匀材料构成的 那么物体内部各点 如果受同样的应 力 将有相同的应变 反之 物体内各点如果有相同的应变 必承受同样的应 力 这一条件反映在广义胡克定理上 就是 Cmn 为弹性常数 胡克的弹性定律指出 在弹性限度内 弹簧的弹力 f 和弹簧的长度变化量 x 成 正比 即 f kx k 是物质的弹性系数 它由材料的性质所决定 负号表示弹簧 所产生的弹力与其伸长 或压缩 的方向相反 3 2 弹簧的分类 1 按使用材料分 碳素钢弹簧 钢制弹簧 合金钢弹簧 不锈钢弹簧 金属弹簧 铜合金弹簧 非铁金属制弹簧 镍合金弹簧 弹簧 其他 橡胶弹簧 空气弹簧 流体弹簧 非金属弹簧 液体弹簧 合成树枝弹簧 其他 10 2 按形状分 压缩螺旋弹簧 螺旋弹簧 拉伸螺旋弹簧 扭转旋转弹簧 单片板弹簧 板弹簧 多片板弹簧 有椭圆形 弓形 伸臂弓形和悬臂板弹簧等 弹簧 扭杆弹簧 平面蜗卷弹黄 碟形弹簧 环形弹簧 特种弹簧 弹簧垫圈 蜗卷螺旋弹簧 3 以构成弹簧有限元所受力的状态分 板弹簧 平面蜗卷弹簧 有限元上主要受弯曲应力的弹黄 碟形弹务 齿形或彼形弹簧垫圈 扭转弹簧 拉伸螺旋弹簧 压缩螺旋弹簧 有限元上主要受扭转应力的弹簧 扭杆弹簧 弹簧垫圈 蜗卷螺旋弹簧 有限元上主要受拉压应力的弹簧 环形弹簧 卡紧弹簧 有限元上主要受复合应力的弹簧 弯曲螺旋弹簧 受横向载荷的螺旋弹簧 这种分类方法在螺旋弹簧最易说明间题 表 3 一 1 是螺旋弹簧的载荷状态 11 和将它分成若于有限元后 每个有限元上所受的主要应力 表 3 1 螺旋弹要受力状态和有限元上的主要应力 螺旋弹簧的载荷状态有限元上的主要应力 拉伸 压缩 扭转 弯曲 横向载荷 扭转 扭转 弯曲 扭转和弯曲 扭转和弯曲 4 按使用条件分 1 在静态条件下使用的弹簧 例如安全阀弹簧 弹簧垫圈 秤盘弹簧 定 载荷弹簧和钟表中的游丝 在这种情况下 设计上主要应考虑的是静强度和稳 定性问题 2 在动态条件下使用的弹簧 例如利用其回复性能的阀门弹簧 调速器弹 簧等 利用其减少振动的车辆用悬挂弹簧和防振弹簧 利用其吸收能量的联轴器弹 簧和电梯的缓冲弹簧等 在这种条件下使用的弹簧主要应考虑弹簧的疲劳强度 和共振的问题 5 按弹簧工况分 1 在普通环境室温下使用的弹簧 2 在高温度下工作的弹簧 或称耐热弹簧 3 在腐蚀介质下工作的弹簧 或称耐蚀弹簧 6 按加工工艺分 1 冷卷或冷压成形弹簧 2 热卷或热压成形弹簧 7 按制造精度分 1 级精度弹簧 2 级精度弹簧 3 级精度弹簧 8 按载荷与变形的情况分 1 载荷与变形成线性关系的弹簧 一般的拉伸 压缩 扭转 单板 扭 杆和平面蜗卷弹 12 2 载荷与变形成非线性关系的弹簧 其中有滞后作用的如多层板弹簧 蜗卷螺旋弹簧 环形弹簧和碟形弹簧 无滞后作用的有不等节距弹簧 变径螺旋 弹簧和组合式弹簧等 3 3 弹簧的功能 1 主要功能 1 控制机械的运动 如内燃机中的阀门弹簧 离合器中的控制弹簧等 2 吸收振动和冲击能量 如汽车 火车车厢下的缓冲弹簧 联轴器中的吸 振弹簧等 3 储存及输出能量作为动力 如钟表弹簧 枪械中的弹簧等 4 用作测力元件 如测力器 弹簧秤中的弹簧等 弹簧的载荷与变形之比 称为弹簧刚度 刚度越大 则弹簧越硬 弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件 弹簧在受载时能产生 较大的弹性变形 把机械功或动能转化为变形能 而卸载后弹簧的变形消失并 回复原状 将变形能转化为机械功或动能 2 弹簧功能的利用 1 测量功能 我们知道 在弹性限度内 弹簧的伸长 或收缩 跟外力成正比 利用弹 簧这一性质制成弹簧秤 2 紧压功能 观察各种电器开关会发现 开关的两个触头中 必然有一个出头装有弹簧 以保证两个出头紧密接触 是导通良好 如果接触不良 接触处的电阻变大 电流通过时产生的热量变大 严重时还会是接触处的金属融化 卡口灯头的两 个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好 至于螺口灯头的中心金属片以及所有 插座的接插金属片都是簧片 其功能都是使双方紧密接触 以保持到同良好 在何时磁带中 有一块磷青铜的簧片 利用它弯曲形变时产生的弹力使磁头与 磁带密切接触 在订书机中有一个长螺旋弹簧它的作用一方面是顶紧钉书钉 另一方面是当最前面的钉被推出后 可以将后面的钉送到最前面以备钉舒适推 13 出 这样 就能自动的将一个个钉推到最前面 直到钉全部推出为止 许多机 器自动供料 自动步枪中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能 此外 象夹衣 服的夹子 圆珠笔 钢笔套上的夹片都利用弹簧的紧压功能夹在衣服上 3 复位功能 弹簧在外力作用下发生形变 撤去外力后 弹簧就能恢复状态 很多工具 和设备都是利用弹簧这一性质来复位的 例如 许多建筑物大门的合页上都装 了复位弹簧人们进出后 门会自动复位 人们还利用这一功能制成了自动伞 自动铅笔等用品 十分方便 此外 各种按钮和按键也少不了复位弹簧 4 带动功能 机械钟表 发条玩具都是靠上紧发条带动 当发条被上紧时发条产生弯曲 形变 存储一定的弹性势能 释放后 弹性势能转变为动能 通过传动装置带 动转动 在玩具枪和发令枪和军用枪支也是利用弹簧的之一性质工作的 5 缓冲功能 在机车汽车车架与车轮之间装有弹簧 利用弹簧的弹性来减缓车辆的颠簸 6 振动发声功能 当空气从口琴 手风琴中的簧孔中流动时 冲击簧片 簧片震动发出声音 14 4 弹簧材料 4 1 热轧成形的弹簧用钢 用于制造弹簧的钢 其交货状态有热轧和冷轧两种 热轧材料中包括圆钢 扁钢 钢板和梯形钢等 其规格和尺寸公差较大 表面质量较差 它们主要是 用电炉或转炉熔炼后经热轧或锻造成形 并以退火状态供应 在以后制造弹簧 的过程中 往往不再进行任何加工就直接加热卷绕 由于钢材表面状态的好坏 对弹簧的性能有直接的影响 钢材表面如有缺陷就会增加弹簧表面的粗糙度 也易于形成表面裂纹 特别是在弹簧成形和以后的淬火回火热处理工序都需要 依靠加热来完成 这也容易造成表面脱碳 从而使弹簧的疲劳强度下降 因此 热轧材料只能用于疲劳性能要求不高的低应力弹簧夕或是截面尺寸较大的重型 弹簧 例如铁道车辆和汽车 拖拉机上的大型螺旋弹簧 重型板弹簧等 1 碳素钢系列的弹簧钢 这是价格最廉也是最易得到的弹簧钢 其表面质量不比合金钢差 人们对 碳素钢的热处理方法较熟悉 其中共析成分的碳素钢 如日本的 SUP3 即使进 行普通的正火 退火也几乎不会出现初生的铁素体 但是它的缺点是淬透性较 差 当圆钢的截面直径超过 18mm 或板材厚度超过 11mm 时在油中就不能悴透 因此不宜用在大截面的弹簧上 通常只有在铁路车辆中 13 毫米以下的板弹簧才 用它 过共析成分的碳素钢 如日本的 SUP4 或美国的 AISI1095 性能虽较 SUP3 为好 但也只用于铁道车辆中直径在 19 毫米以下的螺旋弹簧 其热卷工 艺是加 热到 870 盘卷后空冷 然后在 845 保温 20 40min 淬入油温小于 650 的油 中 不待其完全冷透 在弹簧仍具 90 150 温度时 立即进行 450 510 1 1 5h 回火 2 锰弹簧钢 常用的为 65Mn 其淬透性较碳素钢好 脱碳倾向也小 但是它有过热敏感 性和回火脆性等缺点 又易产生裂纹 因此国外已不采用 国内因其资源丰富 15 价格便宜 故仍列入弹簧钢标准中 一般多用于截面直径尺寸小于 15mm 的中小 型低应力弹簧 3 硅锰弹簧钢 在国内标准中有五种钢号 即 55Si2Mn 55Si2MnB 60Si2Mn 60Si2MnA 和 70Si3MnA 日本 JIS 标准中列有 SUP6 和 SUP7 两种 美国有 SAE9260 和 9255 两种 其所以要添加硅锰两种元素是因为硅能固溶于铁素体和奥氏体中 从而 提高了钢的硬度 强度 弹性极限 屈强比和疲劳强度 同时还能提高材料的 回火稳定性和抗氧化性 锰能提高材料的淬透性 使 25mm 以下的弹簧都能在油 中淬透 试验表明在含碳量 0 5 0 7 的钢中 加入 2 的硅和适量的锰 经淬 火回火后 屈强比可提高到 0 85 以上 弹性极限也大为提高 但是硅含量提高 了以后 易产生石墨化现象和增加表面脱碳倾向 同时在钢中易生成较多的硅 酸盐夹杂物 易淬火开裂 因而在日本和美国己用得不多 在我国主要用于制 造汽车 拖拉机 铁道车辆上的板弹簧 扭杆弹簧 螺旋弹簧 以及工作温度 在 250 以下的中等应力的弹簧 4 铬锰弹簧钢 是在钢中加入 1 的铬和锰 在国内标准中有 50CrMn 钢一种 日本 JIS 标 准中有 SUP9 和 SUP9A 两种 是在第二次世界大战后研制成功的低合金弹簧钢 它具有良好的热加工性和淬透性 即使其直径达 50mm 也能淬透 由于铬的加入 使钢的强度和硬度都有所提高 同时还提高了它的回火稳定性和减少脱碳倾向 缺点是有回火脆性的倾向 因此回火后需快冷 这类钢适宜用于制造铁路车辆 和汽车的截面较大和较重要的板弹簧 扭杆弹簧和螺旋弹簧 5 硅铬弹簧钢 属于这类钢的有 60Si2CrA 和 60Si2CrVA 它是以 1 铬代替了硅锰钢中的一 部分的锰 因而机械性能较高 过热敏感性降低 在工作温度较高时机械性能 较稳定 还能降低含硅钢的石墨化倾向 它主要用于承受高应力或受冲击载荷 的弹簧和工作温度在 250 300 的耐热弹簧 6 硅锰钨弹簧钢 是在硅锰钢 60Si2MnA 中加入了 0 8 1 2 的钨 在国内标准中有 60Si2MnWA 国外还没有相应的牌号 由于钨在钢中易形成难溶碳化物 从而有 16 效地提高了钢的回火稳定性和高温时的蠕变抗力 使钢具有一定的红硬性 钨 还能增加淬透性和提高钢的硬度 它主要用于承受高载荷或耐冲击的弹簧 以及 工作温度低于 350 的弹簧 7 铬钒钨弹簧钢 国内标准中列有 30W4Cr2VA 由于加入了铬 钨 钒等合金元素 大大提高 了钢的淬透性和回火稳定性 以及在高温下的抗松弛性能 因而主要用于温度 500 工作的弹簧 8 无铬弹簧钢 是适应我国国内资源自行研制成功的合金弹簧钢 它是在硅锰弹簧钢的基 础上加入了微量的钼 钒 妮 硼等元素 属于这类钢的有 55SiMnVB 55SiMnMoV 和石 50SiMnMoVNB 三种 由于这些微量元素的作用 使 这三种钢都有较高的抗拉强度和弹性极限 而且有良好的塑性和韧性 因此适 宜作高强度的板弹簧和螺旋弹簧 9 铬锰硼弹簧钢 它是在铬锰钢的基础上加入微量的硼 国内尚无相应的牌号 日本 JIS 标 准中列有 SUP11 它的基本性能和铬锰钢相似 但具有更好的淬透性 通常用 于制造超大型的弹簧 例如推土机上的迭板弹簧 船舶上的大型螺旋弹簧和大 型扭力弹簧等 10 高合金弹簧钢 除了上述通常采用的碳素钢和低合金钢外 某些工具钢有时也能用作为弹 簧钢 但在国外都没有将这些列入弹簧钢系列中 例如工具中用得最广的 18 4 1 高速钢就是用得较普遍的一种高温弹簧钢材 通常用于工作温度在 415 以 下的弹簧 但是作为弹簧钢有些数据如弹性极限值还不够完整 可它至少相等 于或略高于通常所用的铬钒钢和铬硅钢 因此在设计时可以采用铬硅钢的数据 其热处理工艺和制作工具时不同 可以采用缓慢加热至 850 均热后转入 1280 1310 的高温炉内 然后油淬至 100 左右立即在 650 675 回火 1 2h 这样可获得 HRC50 54 的硬度 此外如油硬碳素工具钢有时也可用来制造弹簧 这类钢在 780 淬火 360 回火后可得到 HRC50 54 的硬度 对于长期暴露在 氧化性气氛中并在高温环境下工作的弹簧 日本采用 SEHI 钢 其化学成分为 17 0 40 0 50 C 3 3 5 Si 和 7 5 Cr 相当于我国的 4Cr9Si2 钢 4 2 冷轧弹簧用钢 主要是依靠冷拉或冷轧而得到尺寸精度高 表面质量好和机械性能好的线材 或带钢 螺旋弹簧大多是用线材盘卷而成 属于这类钢材的有高碳弹簧钢 合 金弹簧钢和不锈钢等 以高碳弹簧钢用得最普遍 其供货状态一般有下列三种 类型 1 以退火或高温回火状态供应 这类材料在冷卷成形后 尚需进行淬火回 火处理 如合金弹簧钢丝 不锈钢丝和冷轧钢带等 2 在成形过程中经过强化加工的丝材和带材 这类材料在冷卷成型后只需 进行除应力处理 不必再进行淬火 如冷拉碳素钢丝 琴钢丝 油回火弹簧钢 丝和冷轧不锈钢带等 3 直径大于 13mm 的冷拉圆钢 表面质量较高 需经热卷成型和淬火回火 处理 如冷拉弹簧钢丝等 1 高碳弹簧钢 在这类钢中除了高碳钢外 也包括高碳锰钢在内 它是用得最多的一种冷 卷弹簧钢 其特点是含碳量高 冷塑性变形程度高 加工性能好 表面质量好 但淬透性差 因此只适宜做截面较小的弹簧 这类钢丝在我国有碳素弹簧钢丝 YB248 64 重要用途的 65Mn 弹簧钢丝 YB550 65 琴钢丝 YB840 75 特殊用途的碳素弹簧钢丝 YB647 67 油淬火碳素弹簧钢丝 YB33 78 油淬 火碳素阀门弹簧钢丝 YB32 78 热处理弹簧钢带 YB531 65 和弹簧冷轧钢带 YB208 63 在日本分为琴钢丝 代号 SWP 硬钢丝 代号 SW 油回火碳素弹 簧钢丝 代号 SWO 和油回火碳素阀门弹簧钢丝 代号 SWO V 1 琴钢丝 这是用得最广 质量又好的一种高碳弹簧钢丝 因而有 弹簧钢丝之王 之称 其所以被称为琴钢丝是因为它是从乐器 特别是钢琴中的弦演变而成为 弹簧钢丝的 这类钢丝一般是采用硫磷等杂质较少的高级生铁和高级废钢为原 料 电炉中熔炼后 经过仔细的热轧成为圆钢或盘条 再经一系列的冷拉和初 化处理后所获得的一种高强度 高弹性极限和高韧性的高碳弹簧钢丝 这类钢 18 丝由于在冷拉过程中在通过最后一道拉丝模前要先经过锡浴 而使它的表面沉 积有一层极薄的锡而显得光亮 这薄层的锡不但能对钢丝表面在一定时间内有 防锈的作用 而且可使钢丝表面始终保持洁净 以后如再需电镀只要再经过轻 微的酸洗或磨擦就可以了 通常它总是以冷拉状态的 0 08 6mm 圆截面钢丝供 货 在市场上很少有退火状态的或以方形或矩形截面的线材供货的 因而它只 能用于制造冷卷螺旋弹簧 也不允许在温度超过 120 的工作条件下使用 否 则将使其承受载荷的能力大幅度下降 琴钢丝的含碳量虽然在 ASTMA228 的规定中有一较宽的范圈 0 70 1 00 但是实际上各国的产品都规定只在 0 10 的狭窄范围内波动 例如以供应琴钢 丝著名的瑞典某厂就规定其含碳量为 0 85 0 95 表 4 1 是 ASTMA228 和瑞典 某厂关于琴钢丝化学成分的比较 表 4 1 琴钢丝的化学成分 元素瑞典 ASTMA228 C0 85 0 950 70 1 00 Mn0 25 0 450 20 0 60 Si0 15 0 300 10 0 30 P 0 025 0 025 S 0 025 0 030 在市场上所出售的琴钢丝一般分为三种强度等级 例如日本就规定有 A 级 B 级和 V 级 其代号分别为 SWPA SWPB 和 SWPV B 级的强度最高 其下 限相当于 A 级的上限 适宜制作一般的压缩螺旋弹策 V 级的强度虽较 A 级的 还要低 50 100MPa 但其疲劳强度最高 适宜于制造承受反复载荷的阀门弹簧 或用于制造扭力弹簧和拉力弹簧 以及弹簧指数 C 小于 5 的弹簧 琴钢丝的机械性能可以归纳如下 弹性极限 拉伸弹性极限为其抗拉强度的 65 75 扭转弹性极限为其抗拉强度的 45 50 硬度 HRC42 46 导电系数 为纯铜的 8 12 弯曲性能 在等于钢丝直径的芯轴上盘绕一圈后 其表面不 应出现裂纹 19 比重 7 85g 3 cm 弹性模量和切变模量随钢丝直径而异 如表 4 2 所示 表 4 2 琴钢丝的弹性模量和切变模量 直径 mm 弹性模量 E MPa 切变模量 G MPa 0 80203 40082 700 0 81 1 60200 00081 700 1 61 3 20196 50081 000 3 20193 00080 000 2 硬钢丝 在我国统称为碳素弹簧钢丝 它的质量比琴钢丝和油回火弹簧钢丝差 但 是价格便宜 原料丰富 因此仍不失为一种重要的弹簧钢丝 在我国是由 GB699 65 优质碳素钢中的 65 70 和 65Mn 以及 GB1298 77 碳素工具钢中的 T7A T8A T9A 和 T10A 钢材冷拉而成 在日本按 JISG3521 分为 SWA SWB 和 SWC 三种 在美国商业上有 MB 级的 ASTMA227 HB 级的 ASTMA679 和装饰级的 ASTMA407 和 ASASTMA417 种 这里需特别注意的是按 ASTM 规范 含碳量和含锰 量的范围一般都比较宽 但是如作为弹簧钢其含碳量波动范围不超过 0 13 含锰量波动范围不超过 0 30 因此 MB 级 ASTMA227 对小于 1mm 直径的含碳量 规定是 0 60 0 73 含锰量为 0 60 0 90 这类钢的生产特点是在熔炼钢锭时 对生铁或废钢的要求不高 通常总是在平炉或转炉中大量生产 轧材后再经过 一系列冷拉 在完成其最后成品尺寸前往往先经过一道快速等温淬火 使得到 分散而均匀的索氏体组织 塑性很高 这样在以后的冷拉中就不致因加工硬化 而发脆 还可使冷拉后的钢丝表面光洁 改善了表面质量 同时通过一系列冷 拉提高了强度和硬度 其缺点是淬透性较差 所以只适宜于做中小尺寸或要求 不高的弹簧 这类弹簧除非有特殊要求 一般都以冷拉圆钢丝供货 只有在特 殊定货时才有方形或矩形状态供应 在需要耐蚀时也可以要求以镀锌 镀铜或 镀锡状态洪应 通常这类钢丝只用来制造冷卷螺旋弹簧 卷成后不需进行淬火 回火处理 但为了消除因卷制而引起的内应力 并提高其弹性极限 可以进行 低温回火 20 表 4 3 硬钢丝的弹性模量和切变模量 直径 mm 弹性模量 E MPa 切变模量 G MPa 0 80198 60080 670 0 81 1 60197 90080 000 1 61 3 20197 20079 290 3 20196 50078 600 3 油回火碳素弹簧钢丝 这是一种高质量的高碳弹簧钢丝 这类钢丝大都是由退火的圆钢 通过冷 拉得到精确的尺寸和良好的表面质量后 再经过淬火回火等热处理工序而获得 所需要的硬度和强度 正由于其以后还要经过加热淬火 因此表面可以比较粗 糙 有时甚至还可能带有少量的氧化皮 但是这些氧化皮应很易用喷砂或甩筒 去除 有时也可以退火状态供货 经冷卷成形后再进行热处理 它不但可以冷 拉成 2 13mm 的圆钢 在特殊需要时 也可以拉成方形或矩形截面的钢丝 通常 这类钢丝只能用来制造机械产品或机床上用的各种形式的压缩 拉伸或扭转弹 簧 它不能用于制造承受冲击载荷或工作温度在 9 以下的弹簧 这类钢丝在 美国市场上有 MB 级的 ASTM A229 第一和第二类 S A Ei 1065 和 HB 级的 S A E 1080 另外还有一种含碳量特别高的称之为 XHB 级 但在实际使用中几乎 90 用的是 MB 级 只有需要高强度或高的疲劳寿命的弹簧时才用 HB 级 4 阀门用碳素弹簧钢丝 汽车 飞机 摩托车 农业机械或压缩机等重要机器上都要求有高质量的 阀门弹簧 通常都是用弹簧钢丝冷卷而成 由于这类弹簧要求表面绝对光滑和 没有毛刺 以免损伤汽缸 同时还要求能承受较高的温度 振动或颤动 因此 必须选用一种表面光滑 组织均匀和在承受冲击载荷时仍具有很高疲劳寿命的 材料 其最高使用温度为 175 在英国用得最普遍的阀门弹簧钢丝的化学成分 如表 4 4 所示 表 4 4 英国采用的阀门弹簧钢丝 元素 CMnSiPS 含量 0 7 0 80 60 0 750 10 0 20 0 040 0 040 21 2 合金弹簧钢 在弹簧制造中 如该弹簧既要承受高应力 又需要承受冲击载荷时 则高碳 弹簧钢已不能胜任 就应选用合金弹簧钢丝 它的供货状态一般以圆钢丝为主 但也可以根据客户需要供应正方形或长方形截面的钢丝 通常用于机器中的冷卷弹簧钢丝为 6 13mm 但也可根据需要供应 9 50mm 的热轧弹簧钢丝 合金弹簧钢丝在我国有 500rVA 和 60Si2MnA 60Si2CrA 55Si2MnA 和 65Si2MnWA 其化学成分 机械性能和热轧弹簧钢丝技术条件 YB1222 75 相 同 1 铬帆弹黄钢丝 这是一种高质量的合金弹簧钢丝 一般又分为普通用和阀门用两种 它实 际上是在中碳钢中加入少量的铬 钒元素 以提高其便度和强度 其冷拉的钢 丝尺寸可从 0 5 13mm 钢丝表面由于经过热处理而色泽较暗 有时还带有少量 的氧化皮 因此需经过喷砂处理后使用 这类钢丝的最高使用温度为 200 2 铬硅弹簧钢丝 铬硅弹簧钢丝是一种新发展起来的合金弹簧钢丝 它的化学成分中除了含 稍多的铬和硅以外 和硅锰弹簧钢 SAE9260 非常近似 但是就是这么微小的差 别 对性能的影响却很大 它不但能提高淬硬层深度和硬度的均匀性 而且还 能获得更高的机械性能 通常它是以 0 8 11mm 的圆钢供应 但也可以根据需要 供应正方形或矩形截面的钢丝 它的供货状态也和铬钒合金弹簧钢丝一样有三 种 即 a 大多以球化退火状态供应 b 冷拉后未回火状态 c 油回火状态供应 前两种钢丝是在卷绕后再进行热处理 而第三种仅适宜于钢丝直径小于 5mm 的 因其表面质量较好 故可用来制造阀门弹簧 这类弹簧钢丝特别适宜于制造既要求有高应力又要求承受冲击或震动载荷 的弹簧 例如高射炮中的回跳弹簧 和其它合金弹簧钢丝相比 这类钢丝具有 22 经热处理到高硬度 通常可达 HRC50 53 和高强度而不降低其延性的特点 也正 因为如此 这种高硬度的钢丝在卷绕后会产生很高的残余应力 因此在卷绕后 应尽快地加热回火 即使是等 3 4 小时 也嫌太长 否则就会使弹簧产生裂纹 甚至断裂 无论如何都不能让用这种钢卷制好的弹簧过夜后再回火 这类钢制 成的弹簧最高的使用温度是 245 4 3 非金属材料 弹簧用非金属材料主要是橡胶 它具有高弹性 良好的耐磨性 隔音性和 阻尼特性等优点 用它制成的橡胶弹簧单位体积所贮藏的能量极大 而且因它 有较高的内阻 对突然冲击和高频振动的吸收效果很好 但是它也有易受外界 温度影响和易疲劳断裂的缺点 最近在橡胶弹簧的基础上又发展了橡胶空气弹 簧 近年来橡胶弹簧和橡胶空气弹簧已被广泛用于各种车辆悬挂系统 飞机着 落机构 抵抗冲击和震动的隔离器 气动仪表和座垫弹簧等各个方面 橡胶的高弹性与其分子结构密切有关 微观地看 橡胶是由许多细长而又 有很大柔顺性和流动性的分子键组成 通常 它们卷曲成线团状 并且相互缠 曲 受到外力拉伸时 分子链就伸直 外力去除后 又恢复卷曲 这就是橡胶 有高弹性的缘故 根据原材料来源的不同 橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶 如根据其应用 范围可分为通用橡胶和特种橡胶 通常用来制造弹簧的最合适的橡胶是天然胶 和丁基胶两种 但是有时为了特种要求就只能削弱一些减震特性来满足设计要 求 例如为了要耐油 就只能选用丁腈胶 而要耐大气老化就应选择氯丁胶等 23 5 弹簧的设计 5 1 材料的选用 弹簧的性能和使用寿命 在很大程度上取决于弹簧材料的选择 因此对制 造弹簧的材料总的要求是有较高的弹性极限和疲劳强度 同时还要有足够的韧 性和塑性 但是由于弹簧的用途很广 工作条件不同 所以在选择弹簧材料时 还应根据它的工作环境和对弹簧特性的要求而定 例如在腐蚀介质下使用的弹 簧 就应选择抗腐蚀性好的材料 精密仪表中起控制作用就应有高的导电性 而在高温下工作的弹簧则要求材料在高温下仍能满足弹簧的特性要求等等 此 外 还应考虑到材料的工艺性 热处理特点和生产成本等因素 因此在弹簧设 计中应根据不同的使用条件 对材料的物理性能 化学性能 机械性能 抗腐 蚀性能提出不同的要求 琴钢丝 这是用得最广 质量又好的一种高碳弹簧钢丝 因而有 弹簧钢 丝之王 之称 其所以被称为琴钢丝是因为它是从乐器 特别是钢琴中的弦演 变而成为弹簧钢丝的 这类钢丝一般是采用硫磷等杂质较少的高级生铁和高级 废钢为原料 电炉中熔炼后 经过仔细的热轧成为圆钢或盘条 再经一系列的 冷拉和初化处理后所获得的一种高强度 高弹性极限和高韧性的高碳弹簧钢丝 因此选用琴钢丝 5 2 螺旋弹簧的选用 压缩螺旋弹簧是各种弹簧中用的最广泛的一种 这种型式的弹簧尺寸因用 途不用而有各种不同的规格 有材料直径小于 0 1mm 的轻载荷用弹簧 也有材 料直径达 100mm 的超大型重载荷用弹簧 压缩螺旋弹簧的特点是 1 易于制造 24 2 结构经凑 3 吸收能量的效率高 4 无摩擦 对于第一点 由于这种弹簧的形状简单和加工方便 因而易于理解 实际 上 由于还要考虑末圈的体积 因而这一数值还要稍小一些 即时如此 这种 弹簧在小空间中仍有很好的效率买能发挥出良好的弹簧性能再现佳 同样地 在防震机械设备中使用这种弹簧 由于它无摩擦 因而耗能少 减震效果好 这种弹簧的载荷特性 一般是线性的 但如将材料直径 螺圈直径或节距适当 予以变化 也可得到非线性的特性 螺旋压缩弹簧由于具有上述特性 其用途甚为广泛 例如机车用悬挂弹簧 汽车用悬挂弹簧 内燃机阀门弹簧 安全阀弹簧 调速器弹簧等都是采用这种 形式的弹簧 因此选用压缩螺旋弹簧 图 5 1 压缩螺旋弹簧 5 3 车窗的载荷计算 1 车窗玻璃的应力 根据 GB9656 2003 安全玻璃材料的统一规定 查询 表 5 1 钢化玻璃表面应力表 种类适用部位试验后状态 钢化玻璃风窗表面压应力 105 25 风窗以外 表 5 2 安全玻璃强度值 安全玻璃强度值 玻璃的强度值 类型厚度 大面上的强度 mpa边缘强度 mpa 普通玻璃 52819 5 5 12 28 0 19 5 浮法玻璃 15 19 20 014 0 5 12 84 0 58 8 钢化玻璃 15 19 59 041 3 夹层玻璃6 10 21 014 7 表 5 3 夹层玻璃及塑玻复合材料的边缘应力 种类适用部位边缘应力 mpa 风窗夹层玻璃 塑玻复合材料风窗以外 边缘张应力 7 边缘压应力 4 根据上表所述车窗应力 车窗玻璃边缘的张应力和压应力比较小 在受力 时变形小脆性比较高 所以车窗破碎器安装在车窗的玻璃的边缘地方 2 车窗的破碎状态不能产生二次伤害 根据玻璃破碎器玻璃破碎器的的设计要求 破碎后的玻璃不能对人体产生 二次伤害 由此查询 GB9656 2003 安全玻璃材料的统一规定 如图表 5 4 表 5 4 钢化玻璃的碎片状态 种类碎片状态 钢化玻璃 1 在任一 50mm 50mm 的正方形内 碎片数不少于 40 块 但不多于 400 块 若厚度不大于 3 5mm 则碎片数在 40 块以上 450 块以下 2 在上述规定中 横跨正方形边部的碎片应计作半块 3 制品边缘 20mm 范围内的碎片不作检查 以冲击点为圆心半径 75mm 圆内的碎片也不作检查 4 除上述第 3 条规定的部位外 不允许有超过 3mm2的碎片 5 允许有少量长条形碎片 其长度不超过 75mm 且具端部不是刀 刃状 延伸至玻璃边缘的长条形碎片与边缘形成的角度不得大于 45 由上表可得车窗玻璃在一个点破碎后 其他地方会沿着这个点延伸破裂 破碎后的玻璃会粘附在玻璃中间层上 破碎后的玻璃不会对人体产生二次伤害 26 5 4 弹簧设计计算 打破玻璃需要 15mpa 的力 15mpa 150 公斤 150 公斤 1500N 已知 线径为 3 0mm 外径为 24mm 总圈数为 6 5 圈 弹簧材料为琴钢丝 由第三章可知琴钢丝刚性横数 8000MPa 弹簧常数 以 K 表示 当弹簧被压缩时 每当增加 1mm 距离的负荷 kgf mm 弹簧常数公式 单位 kgf mm 压缩弹簧计算公式为 8 34 NcDmdGk 图 5 2 弹簧 试设计圆柱螺旋压缩弹簧 解 d 4 0 D2 34 N 7 5 27 Nc 5 5 mmkgfNcDmdGK 724 1 5 5308 48000 8 3 4 34 1 724kgf mm 约等于 1724N 经计算得知 线径为 4 0mm 外径为 34mm 总圈数为 7 5 圈 钢丝材料为 琴钢丝的压缩弹簧 足可以击碎玻璃 28 6 弹簧的检测 6 1 外观检测 外观检测 也就是表面质量检查 其目的是发现肉眼能见到的表面缺陷 例如不允许有裂纹 飞边 纵向或横向的擦痕 氧化皮和锈蚀等 当发现有怀 疑时 可利用 5 倍放大镜来观察 为了检查迅速准确 也可采用电磁探伤器或 荧光探伤法来显示缺陷 如弹簧在制造过程中产生了个别压痕 凹坑或刮伤时 其深度在冷卷弹簧 中不允许超过材料直径允许公差的一半 对热卷弹簧允许用打磨的办法以消除 伤痕 但打磨后的断面尺寸只允许为原材料的实际尺寸减去原材料允许的公差 6 2 尺寸检测 检测弹簧时应根据弹簧设计规定的制造精度检查载荷与变形量之间的关系 弹簧外径 或内径 总圈数 自由高度 或长度 端面与轴心的不垂直度 端 面并紧的压缩螺旋弹簧还应检查其末端并圈与工作圈之间的间隙 弹簧节距的 不均匀度和末端支撑面的加工情况 6 3 质量检测 弹簧的外形尺寸关系到它的使用特性 而内部质量却和它的使用寿命有关 因此在验收时应同时检查其内在的质量 检查的方法除了采用金相组织和硬度 检查外 还应提供有关的证明文件 一般规定为 1 必须有材料供应厂的合格证明和弹簧制造厂的复验证明 2 弹簧制造厂应提供热处理操作记录和检验合格证 证明那些经淬火回火 29 的冷卷弹簧 其淬火次数没有超过两次 回火次数不限 经淬火时效的铍青铜 冷卷弹簧 淬火次数没有超过三次 时效次数不限 3 为了检查金相组织和脱碳层 可采用实物抽样或随炉处理的试棒进行检 查 规定凡经淬火回火处理的冷卷弹簧 金相组织应为回火屈氏体 允许有少 量的索氏体和未溶碳化物 其单边脱碳层 铁素体 过渡区 的深度允许比原材料 标准规定的脱碳层深度再增加材料直径的 0 25 经淬火回火处理的热卷弹簧 其单边脱碳层的深度允许比原材料标准规定的脱碳层深度再增加材料直径的 0 5 经等温淬火后的弹簧 金相组织应为下贝氏体 当硬度值要求高于万于 HRC50 时 允许有少量回火马氏体 4 硬度检查 凡采用不需淬火的弹簧钢丝和硬状态的青铜丝冷卷弹簧 均需 进