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彈簧設計及應用

發布時間:2018/12/20
彈簧設計及應用

東光縣龍信彈簧制造有限公司
設計部  第2007104-23字
  彈簧設計的任務是要確定彈簧絲直徑d、工作圈數n以及其它幾何尺寸,使得能滿足強度約束、剛度約束及穩定性約束條件,進一步地還要求相應的設計指標(如體積、重量、振動穩定性等)達到最好。
  具體設計步驟為:先根據工作條件、要求等,試選彈簧材料、彈簧指數C。由于sb與d有關,所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑d。接下來計算d、n的值及相應的其它幾何尺寸,如果所得結果與設計條件不符合,以上過程要重復進行。直到求得滿足所有約束條件的解即為本問題的一個可行方案。實際問題中,可行方案是不唯一的,往往需要從多個可行方案中求得較優解。
  例12-1設計一圓柱形螺旋壓縮彈簧,簧絲剖面為圓形。已知最小載荷Fmin=200N,最大載荷Fmax=500N,工作行程h=10mm,彈簧Ⅱ類工作,要求彈簧外徑不超過28mm,端部并緊磨平。
  解:
  試算(一):
  (1)選擇彈簧材料和許用應力。選用C級碳素彈簧鋼絲。
  根據外徑要求,初選C=7,由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm,由表1查得sb=1570MPa,由表2知:[t]=0.41sb=644MPa。
  (2)計算彈簧絲直徑d
  由式得K=1.21
  由式得d≥4.1mm
  由此可知,d=3.5mm的初算值不滿足強度約束條件,應重新計算。
  試算(二):
  (1)選擇彈簧材料同上。為取得較大的I>d值,選C=5.3。
  仍由C=(D-d)/d,得d=4.4mm。
  查表1得sb=1520MPa,由表2知[t]=0.41sb=623MPa。
  (2)計算彈簧絲直徑d
  由式得K=1.29
  由式得d≥3.7mm。
  可知:I>d=4.4mm滿足強度約束條件。
  (3)計算有效工作圈數n
  由圖1確定變形量λmax:λmax=16.7mm。
  查表2,G=79000N/mm2,
  由式得n=9.75
  取n=10,考慮兩端各并緊一圈,則總圈數n1=n+2=12。至此,得到了一個滿足強度與剛度約束條件的可行方案,但考慮進一步減少彈簧外形尺寸與重量,再次進行試算。
  試算(三):
  (1)仍選以上彈簧材料,取C=6,求得K=1.253,d=4mm,查表1,得sb=1520MPa,[t]=0.41sb=623MPa。
  (2)計算彈簧絲直徑。得d≥3.91mm。知d=4mm滿足強度條件。
  (3)計算有效工作圈數n。由試算(二)知,λmax=16.7mm,G=79000N/mm2
  由式得n=6.11
  取n=6.5圈,仍參考兩端各并緊一圈,n1=n+2=8.5。
  這一計算結果即滿足強度與剛度約束條件,從外形尺寸和重量來看,又是一個較優的解,可將這個解初步確定下來,以下再計算其它尺寸并作穩定性校核。
  (4)確定變形量λmax、λmin、λlim和實際最小載荷Fmin
  彈簧的極限載荷為:
  因為工作圈數由6.11改為6.5,故彈簧的變形量和最小載荷也相應有所變化。
  由式得:
  λmin=λmax-h=(17.77-10)mm=7.77mm
  (5)求彈簧的節距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧絲展開長度L
  在Fmax作用下相鄰兩圈的間距δ≥0.1d=0.4mm,取δ=0.5mm,則無載荷作用下彈簧的節距為
  p=d+λmax/n+δ1=(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm
  p基本符合在(1/2~1/3)D2的規定范圍。
  端面并緊磨平的彈簧自由高度為
  取標準值H0=52mm。
  無載荷作用下彈簧的螺旋升角為
  基本滿足γ=5°~9°的范圍。
  彈簧簧絲的展開長度
  (6)穩定性計算
  b=H0/D2=52/24=2.17
  采用兩端固定支座,b=2.17<5.3,故不會失穩。
  (7)繪制彈簧特性線和零件工作圖。
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