弹簧基础知识及设计

,弹簧基础知识及设计培训,2015-08,目录,6.弹簧的JIS公差标准,5.圆柱螺旋弹簧的设计计算,4.弹簧的失效模式,3.弹簧的热处理、强化处理及表面处理,2.弹簧的制造、材料和许用应力,1.弹簧的功用和类型,7.弹簧设计应考量事项及国标,1.1弹簧的功用,工作特点：受力后能产生较大的弹性变形，去除外力后能恢复原状。,1.2弹簧的类型,按结构形状来分，大致分圆柱螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧和其他类型弹簧,1.2弹簧的类型,1.2弹簧的类型,2.1弹簧的制造工艺及设备,一、冷成型弹簧的制造工艺,螺旋压缩弹簧：卷制去应力退火(端面磨削)(抛丸、立定、或强压处理),当使用成形后不需淬火、回火处理的材料制造弹簧时，其工艺过程为：,检验表面防腐处理包装,拉伸/扭转弹簧：卷制去应力退火(立定处理)检验表面防腐处理包装,带括号的工序为非固定工序，是否进行取决于弹簧的性能要求,冷卷：0.08mmd20mm,1)硬状态：只需去应力退火，消除应力,热卷：d14mm淬火、回火,2)软状态(退火状态)：成型后淬火，回火方能达到所需性能,冷卷：0.08mmd20mm,热卷：d14mm淬火、回火,1)硬状态：只需去应力退火，消除应力,2)软状态(退火状态)：成型后淬火，回火方能达到所需性能,2.1弹簧的制造工艺及设备,二、冷成型弹簧的制造设备,JSC-8A2高速压簧机,JYF-C435高速压簧机带检长功能,JX-625R数控折弯转线机,JX-625S第三工程机,JX-625数控折弯卷线机,TEN-10数控折耳弯曲机,数控双端面磨簧机,连续式网带回火炉,2.2弹簧使用材料及用途,弹簧定制选材的原则是：选择弹簧材料时应充分考虑弹簧的工作条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素弹簧钢丝。,2.2弹簧使用材料及用途,细分表,2.3弹簧材料的抗拉强度,碳素弹簧钢丝：25#-80#/40Mn70Mn,2.3弹簧材料的抗拉强度,琴钢丝：60#-80#/60Mn70Mn/T8MnA/T9A,2.3弹簧材料的抗拉强度,不锈钢丝：304/316/631,2.4弹簧的许用应力,圆柱螺旋弹簧按载荷分为三类：,I类弹簧：受变载荷作用次数1X106次以上的弹簧。,III类弹簧：受静载荷或变载荷作用次数在1X103次以下的载荷等；,II类弹簧：受变载荷作用次数在1X1031X106次范围内的载荷，以及冲击载荷等；,弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及材料线径的尺寸等,2.4弹簧的许用应力,2.4.1螺旋压缩和拉伸弹簧的许用切应力,材料直径d1.0时，试验切应力s按图中对应示值选取,2.4弹簧的许用应力,2.4.1螺旋扭转弹簧的许用弯曲应力,材料直径d1.0时，试验切应力s按图中对应示值选取,3.1弹簧的热处理,一、热处理的作用,1.消除它的内应力，使弹簧形状固定，增加弹性，延长使用寿命。,2.材质本身硬度增高。,二、热处理的方法,2.淬火加中温回火处理。用这种处理方法的多数为热轧材料以热成形方法制作的弹簧，或者用冷拉退火钢丝以冷卷成型的弹簧。,1.去应力退火(俗称定型回火)。应用这一处理方法的主要是一些用经过强化处理的钢丝，如碳素钢丝、琴钢丝、油淬火回火钢丝以冷成形工艺制作的弹簧。,3.时效硬化处理。应用这一处理方法的为经过固溶处理和冷拉强化的奥氏体，沉淀硬化不锈钢丝以冷成形工艺制作的弹簧。,三、线材特性的热处理变化,3.2弹簧的强化处理,1.立定（稳定化）处理：对压缩弹簧，是把弹簧压缩到工作极限高度或并紧高度数次，一般是35次；对拉伸弹簧，是把弹簧长度拉至工作极限长度数次；扭转弹簧，是把弹簧顺工作方向扭转作极限扭转角数次,2.强压(强拉、强扭)处理：对压缩弹簧是把弹簧压至材料层的应力超过屈服点，使表面产生负剩余应力，心部产生正剩余应力。,3.喷（抛）丸处理：以高速弹丸流喷射弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成了一定厚度的表面强化层。,强化处理适当，在同样的工作条件下，弹簧的疲劳寿命可以提高535。反之，如果处理不当，如预加载荷过大，反会使疲劳寿命下降；,3.3弹簧的表面处理,4.弹簧的失效模式,弹簧失效,断裂,松弛或变形,磨损,脆性断裂,氢脆,疲劳断裂,应力腐蚀断裂,氢脆断裂电镀过程的影响：,析氢渗氢在整个电解镀锌中是不可避免的，析出的氢能够渗入镀锌层，甚至渗入基体金属和零件应力集中的区域内。锌的吸氢大约在0.001%-0.01%,而铁碳合金吸氢在0.1%左右。氢在金属内使晶格扭曲，产生很大的内应力，致使其机械性能降低，韧性大大降低，导致零件脆断。,氢脆的预防：,1、不宜强酸清洗，选用盐酸较硫酸为好。控制酸洗时间，以多次短时间比长时间酸洗效果好。,2、采用有效的驱氢工序驱散渗氢，减少氢脆应力。驱氢温度一般为210-230，驱氢时间6-8h。在电镀锌后2h内进行，间隔时间越短越好。,5.圆柱螺旋弹簧的设计计算,弹簧常用符号和单位,5.1圆柱螺旋压缩弹簧设计计算,旋向判定,5.1.1圆柱螺旋压缩弹簧的端部结构形式,5.1圆柱螺旋压缩弹簧设计计算,5.1.2已知(变形量f、中径D、线径d、高度H0和有效圈数n)参数下常用计算公式：,旋绕比：,弹簧刚度：,弹簧荷重：,切应力：,试验载荷：,如由于材料及工艺原因，对于旋绕比C6的弹簧，扔可加曲度修正系数K,曲度系数：,试验载荷变形量：,5.1圆柱螺旋压缩弹簧设计计算,为了使弹簧端面和轴线垂直，重要用途的压缩弹簧应采用两端圈并紧磨平结构。支承圈的磨平长度应不小于3/4圈，末端厚度应近于d/4。有支承圈的弹簧，其总圈数为,n1的尾数推荐为1/2圈，这样工作较为平稳。,端圈并紧磨平支承各1圈：,端圈并紧不磨支承各1圈：,螺旋角：,展开长度L：,螺旋角荐用值5-9如9，计算变形时，应考虑螺旋角的影响。,高径比b：,为了保证压缩弹簧的稳定性，弹簧的高径比,不应超过许用值。两端圈固定支承b5.3。当b大于许用值时，弹簧可能产生侧弯现象(图18-11a)。为了避免弹簧失稳，应在弹簧内部加导向杆或在外部加导向套(图18-11b）。导向杆和导向套与弹簧的间隙不应过大，工作时需加油润滑。,5.2圆柱螺旋拉伸弹簧设计计算,5.2.1圆柱螺旋拉伸弹簧的端部结构形式,5.2圆柱螺旋拉伸弹簧设计计算,5.2.2圆柱螺旋拉伸弹簧的有效圈数,4种有效圈数的钩环方向区别,a)n整圈：钩环一字型，开口方向一致；,b)n.25圈：钩环十字型，开口方向一上一前；,c)n.5圈：钩环一字型，开口方向相反；,b)n.75圈：钩环十字型，开口方向一上一后；,5.2圆柱螺旋拉伸弹簧设计计算,5.2.3螺旋弹簧的强度和变形计算与压簧一致，只是变形与应力的方向相反。拉簧一般为闭圈，即圈与圈之间接触，弹簧圈相互之间产生压缩力，即为初拉力F0。,或,弹簧刚度：,弹簧荷重：,5.2圆柱螺旋拉伸弹簧设计计算,拉簧的变形量除弹簧本体的变形量外，还应附加钩环的变形量。半圆钩环的变形量相当于弹簧本体0.1圈的变形量，即两端都为半圆钩时，有效圈数加上0.2圈；整圆钩环的变形量相当于弹簧本体0.5圈的变形量，即两端为整圆钩环时，有效圈数应加1圈。,拉簧的自由长度：,半圆钩环时：,圆钩环压中心时：,拉簧的材料展开长度：,钩环部长度,5.3圆柱螺旋扭转弹簧设计计算,5.3.1圆柱螺旋扭转弹簧的结构形式,5.3圆柱螺旋扭转弹簧设计计算,5.3.2已知(变形角、中径D、线径d和工作圈数n)参数下常用计算公式：,导杆直径：,弹簧刚度：,弹簧扭矩：,扭矩作用下，直径减少值：,试验扭矩：,曲度系数：,a)不计扭矩变形角的情况下，弹簧刚度、扭矩计算公式如下：,试验扭矩下的变形角：,弯曲应力：,顺向扭转时,K1=1,逆向扭转时，曲度系数K1按公式计算,b)扭臂较长时扭转变形角中需加上扭臂引起的变形角，弹簧刚度、扭矩计算公式如下：,弹簧刚度：,弹簧扭矩：,5.3圆柱螺旋扭转弹簧设计计算,5.3.3扭转弹簧的寿命校核查：,工作弯曲应力：,安装弯曲应力：,式1：,式2：,和r的交点在所选载荷作用,次数线以下时，方能满足寿命要求,6.圆柱螺旋弹簧的JIS公差标准,7.弹簧设计应考量事项及国标,7.1考量事项：,a)压缩弹簧：图样标注时内、外径的重要度。弹簧中间会因加工应力推出会变小；螺旋角越大