文档介绍：圆柱拉、压螺旋弹簧的设计
§12-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计
一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线
1、弹簧的结构
(1)压缩弹簧(图12-1)
A、YI型:两端面圈并紧磨平
B、YⅢ型:两端面圈并紧不磨平。
磨平部分不少于圆周长的3/4,端头厚度一般不少于d/8。
(a)YⅠ型(b)YⅡ型
图12-1 压缩弹簧
(2)拉伸弹簧(图12-2)
A、LI型:半圆形钩
B、LⅡ型:圆环钩
C、LⅦ型:可调式挂钩,用于受力较大时
图12-2 拉伸弹簧
2、主要几何尺寸
弹簧丝直径d、外径D、内径、中径、节距p、螺旋升角a、自由高度(压缩弹簧)或长度(拉伸弹簧),如图12-3。此外还有有限圈数n,总圈数,几何尺寸计算公式见表12-1。
(a) (b)
图12-3 圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数
弹簧指数C:弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即:C=D2/d。
弹簧丝直径 d 相同时,C 值小则弹簧中径D2也小,其刚度较大。反之则刚度较小。通常C值在4~16范围内,可按表12-2选取。
表12-2 圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C
弹簧直径d/mm
~
~1
~
~6
7~16
18~42
C
7~14
5~12
5~10
4~10
4~8
4~6
3、特性曲线
弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。
(1)压缩弹簧
其特性曲线如图12-4所示。
图中H0为弹簧未受载时的自由高度。Fmin为最小工作载荷,它是使弹簧处于安装位置的初始载荷。在Fmin的作用下,弹簧从自由高度H0被压缩到H1,相应的弹簧压缩变形量为λmin。在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下,弹簧的压缩变形量增至λmax。图中Flim为弹簧的极限载荷,在其作用下,弹簧高度为Hlim,变形量为λlim,弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外,图中的h=λmax-λmin,称为弹簧的工作行程。
图12-4 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图12-5 圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线
(2)拉伸弹簧
其特性曲线如图12-5所示。
按卷绕方法的不同,拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。无初应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。有初应力的拉伸弹簧的特性曲线,如图12-5c所示。有一段假想的变形量x,相应的初拉力F0,为克服这段假想变形量使弹簧开始变形所需的初拉力,当工作载荷大于F0时,弹簧才开始伸长。
对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin≥,对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0;弹簧的工作载荷应小于极限载荷,通常取Fmax≤,因此,为保持弹性的线性特性,弹簧的工作变形量应取在(~)λlim范围内。
二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析
1、强度约束条件
图12-6为承受轴向载荷的压缩弹簧,现分析其受力情况,拉伸弹簧的簧丝受力情况完全相同。如图12
-6a,在通过轴线的剖面上,弹簧丝的剖面为椭圆,但由于螺旋升角一般很小,可近似地用圆形剖面代替。将作用于弹簧的轴向载荷F移至这个剖面,在此剖面上有转矩:T=FD2/2和剪切力F的联合作用。这二者在弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力τ为:
式中:K为曲度系数(或称补偿系数),用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响,其值可按下式计算:
则弹簧丝的强度约束条件为:
或
式中:[τ]为许用剪切应力;
Fmax为弹簧的最大工作载荷。
图12-6 受轴向载荷的压缩弹簧
2、刚度约束条件
圆柱螺旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得的,即:
式中,G为材料的剪切弹性模量。由此可得刚度约束条件为
或
式中:k为弹簧刚度,表示弹簧单位变形所需的力。
,且大于2。
3、稳定性约束条件
当作用在压缩弹簧的载荷过大,高径比b=H0/D2超出一定范围时,弹簧会产生较大的侧向弯曲(图12-7)而失稳。
为保证弹簧的稳定性,一般规定,两端固定时取b<;一端固定另一端自由时,取b<;两端自由时,应取b<。如未能满足上述要求,则要按下式进行稳定性验算:
Fmax<FC=CBkH0
式中:FC为临界载荷,CB为不稳定系数,见图12-8。
图12-7 压缩弹簧的失稳图12-8 不稳定系数CB
三、弹簧的材料与许用应力
常用的弹簧材料有:碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。选择材料时,应根据弹簧的功用、载荷大小、载荷性