彈簧設(shè)計(jì)規(guī)范

1、彈簧設(shè)計(jì)規(guī)范一、彈簧的功能彈簧是一種彈性元件，由于材料的彈性和彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它具有多次重復(fù)地隨外栽荷的大小而做相應(yīng)的彈性變形，卸載后立即恢復(fù)原狀的特性。很多機(jī)械正是利用彈簧的這一特點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足特殊要求的。其主要功能有：、減振和緩沖，如車(chē)輛的懸掛彈簧，各種緩沖器和彈性聯(lián)軸器中的彈簧等。、測(cè)力，如測(cè)力器和彈簧秤的彈簧等。、儲(chǔ)存及輸出能量，如鐘表彈簧，槍栓彈簧，儀表和自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)上的原動(dòng)彈簧等。、控制運(yùn)動(dòng)，如控制彈簧門(mén)關(guān)閉的彈簧，離合器、制動(dòng)器上的彈簧，控制內(nèi)燃機(jī)氣缸閥門(mén)開(kāi)啟的彈簧等。二、彈簧的類(lèi)型、特點(diǎn)和應(yīng)用彈簧的分類(lèi)方法很多，按照所承受的載荷的不同，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧

2、等四種；按照形狀的不同，彈簧可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、盤(pán)形彈簧和板彈簧等；按照使用材料的不同，彈簧可分為金屬?gòu)椈珊头墙饘購(gòu)椈伞８鞣N彈簧的特點(diǎn)、應(yīng)用見(jiàn)表1。表1彈簧的基本類(lèi)型、特點(diǎn)和作用名稱(chēng)彈簧簡(jiǎn)圖特點(diǎn)及應(yīng)用名稱(chēng)彈簧簡(jiǎn)圖特點(diǎn)及應(yīng)用圓柱形螺旋彈簧圖(a)承受拉力，圖(b)承受壓力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)用最為廣泛碟形彈簧承受壓力，緩沖及減振能力強(qiáng)，常用于重型機(jī)械的緩沖和減振裝置。圓柱形螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧承受轉(zhuǎn)矩，主要用于各種裝置中的壓緊和蓄能環(huán)形彈簧承受壓力，是目前最強(qiáng)的壓縮、緩沖彈簧，常用于重型設(shè)備，如機(jī)車(chē)車(chē)輛、鍛壓設(shè)備和機(jī)械中的緩沖裝置。圓錐形螺旋彈簧承受壓力，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，防振能力

3、較強(qiáng)，多用于承受大載荷和減振的場(chǎng)合盤(pán)簧承受轉(zhuǎn)矩，能儲(chǔ)存較大的能量，常用作儀器、鐘表中的彈簧。板彈簧承受彎曲，變形大，吸振能力強(qiáng)，主要用于汽車(chē)、拖拉機(jī)和鐵路車(chē)輛的懸掛裝置。在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。故本章主要講述這類(lèi)彈簧的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。三、彈簧使用的材料及其用途彈簧鋼的的主要性能要求是高強(qiáng)度和高屈服極限和疲勞極限，所以彈簧鋼材用較高的含碳量。但是碳素鋼的淬透性較差，所以在對(duì)于截面較大的彈簧必須使用合金鋼。合金彈簧鋼中的主要合金元素是硅和錳，他們可以增強(qiáng)鋼的淬透性和屈強(qiáng)比。彈簧材料使用最廣者是彈簧鋼（SUP）。 碳素鋼用于直徑較小的彈簧，工藝多為冷拔成型，如：65#，7

4、5#，85#。直徑稍大，需用熱成型工藝生產(chǎn)的彈簧多采用60Si2Mn，如汽車(chē)板簧，鐵路車(chē)輛的緩沖簧。對(duì)于高應(yīng)力的重要彈簧可采用50CrV,常用于高級(jí)轎車(chē)板簧，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧等。其他彈簧鋼材料還有：65Mn, 50CrMn, 30W4Cr2V等。a、碳鋼及合金鋼：制造彈簧時(shí)，常加矽、錳、鉻、釩及鉬等金屬元素于鋼中，以增加彈簧之彈性及疲勞限度，且使其耐沖擊。b、大型彈簧多用熱作加工，即彈簧材料高溫軋成棒，再高溫加工成形后，淬火于780度850度左右之油或水中，再施以400度500度的溫度回火。c、小型彈簧，先經(jīng)退火，再用冷作加工，捲成后再經(jīng)硬化回火，如鋼絲、琴鋼絲或鋼帶。d、琴鋼絲是屬高炭鋼材（0

5、.650.95%）制造，雜質(zhì)少，直徑常小于1/4時(shí)經(jīng)過(guò)軔化處理后在常溫抽成線(xiàn)，其機(jī)械性質(zhì)佳，抗拉強(qiáng)度及軔性大，為優(yōu)良的螺旋彈簧材料。e、不銹鋼絲用于易受腐蝕處，承受高溫可用高速鋼及不銹鋼。f、油回火線(xiàn)含碳量0.60.7%應(yīng)含錳，0.61.0%常用于螺圈彈簧。g、板彈簧常用0.91.0%之普通鋼，其較高級(jí)者則使用鉻釩鋼及矽錳鋼。項(xiàng)目 名稱(chēng)JIS代碼概略組成主要用途及特點(diǎn)單價(jià)級(jí)別回火溫度熱后顏色1不銹鋼線(xiàn)SUS302和WPBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)、Ni(鎳)、Cr(鉻)、Mo(鉬)經(jīng)過(guò)冷加工可得高強(qiáng)度，鐵路車(chē)輛、輸送機(jī)螺絲、螺帽、彈簧等，耐熱、耐蝕。中300°

6、;480°之間（視線(xiàn)徑之大?。┟谆疑涟咨玈US304和WPB廣為使用于不銹鋼、耐熱鋼，又用于食品設(shè)備，一般儀學(xué)設(shè)備，原子力，耐熱耐蝕。2碳鋼線(xiàn)SWC SWBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)硬拉鋼線(xiàn)，用于耐蝕性差，要求精度不高，鋼性較脆，成形后要表面處理或加防銹油。低200°400°之間（視線(xiàn)徑之大小）淡茶色、茶色、青色、淡藍(lán)色、褐色3琴鋼線(xiàn)SWPA SWPBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)、Cu(銅)耐疲勞性佳，要求精度高。一般用于電池彈簧、開(kāi)關(guān)彈簧等、鋼性柔韌，成形后要表面處理或加防銹油。高200°400

7、76;之間（視線(xiàn)徑之大?。┩琒WPA、SWPB4鈹銅線(xiàn)C1720WBe(鈹)、Mn(錳)、Ni(鎳)、P(磷)Cu(銅)+Sn(錫)+P(磷)Ni(鎳)+Co(鈷)耐蝕性佳，于時(shí)效硬化處理前，富于展性時(shí)效硬化處理后，增加耐疲勞性，導(dǎo)電性時(shí)效硬化處理應(yīng)加工后，可制螺絲彈簧電刷，通訊器具（表面鍍銀、金）。特高150°200°黃色5磷青銅C5191WSn(錫)、Zn(鋅)、P(磷)耐疲勞性，耐蝕性、耐磨耗性佳，可制螺絲彈簧、扭簧、扣鈕、扎電機(jī)、通訊市場(chǎng)適用（鍍金、銀）。較高150°200°黃色6其它 如油回火線(xiàn)、白銅線(xiàn)及其它線(xiàn)材，不常用，適用于航天科技。 鍍鎳

8、線(xiàn)等同SWC+Ni。常需特別制做，造價(jià)昂貴。彈簧常在變載荷和沖擊載荷作用下工作，而且要求在受極大應(yīng)力的情況下，不產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強(qiáng)度極限、彈性極限和疲勞強(qiáng)度極限，不易松弛。同時(shí)要求有較高的沖擊韌性，良好的熱處理性能等。常見(jiàn)的彈簧材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼和銅合金。幾種主要彈簧材料的使用性能和許用應(yīng)力見(jiàn)表2。表2螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力材料許用應(yīng)力rMPa推薦使用溫度/推薦硬度范圍特點(diǎn)及應(yīng)用類(lèi)別牌號(hào)類(lèi)類(lèi)類(lèi)碳素彈簧鋼絲B、C、D級(jí)0.3h0.4h0.5h-40-120價(jià)廉易得，熱處理后強(qiáng)度較高，但尺寸大了不易淬透，多用于制作小彈簧合金鋼絲60SiMn480640800

9、-40-20045-50HRC彈性和回火穩(wěn)定性好，但易脫碳，適用于制造受重載的大彈簧。50CrVA450600750-40-210有高的疲勞極限，彈性、淬透性和回火穩(wěn)定性好，常用于制造受變載荷的彈簧60SiCrVA57076095045-50強(qiáng)度高，彈性好，耐高溫，適用于承受重載荷的彈簧不銹鋼絲4CrI3450600750-40-300耐腐蝕，耐高溫，適用于受腐蝕介質(zhì)影響的彈簧青銅絲QSi3-1270360450-40-12048-53HRC耐腐蝕，防磁，適用于機(jī)械或儀表中的彈簧QSn4-390-100100HRC在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮彈簧的用途、重要性、工作條件（如載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性，工

10、作溫度和周?chē)橘|(zhì)，工作時(shí)間等）、加工方法、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等諸多因素。如碳素彈簧鋼的價(jià)格低，強(qiáng)度高，性能好，廣泛用于受靜載荷和有限作用次數(shù)變載荷的小彈簧；合金鋼的強(qiáng)度高，彈性好，耐溫高，適用于尺寸較大及承受沖擊載荷的彈簧；不銹鋼耐腐蝕、耐高溫，適用于在腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧；銅合金的耐腐和抗磁性好，但強(qiáng)度低，適用于受力較小而又要求有耐腐蝕和防磁的彈簧。表3為優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲的尺寸系列和抗拉強(qiáng)度極限，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。非金屬?gòu)椈傻牟牧现饕窍鹉z，另外還有塑料、軟木和空氣等。彈簧材料的許用應(yīng)力與材料種類(lèi)、載荷性質(zhì)、熱處理方法、彈簧絲尺寸，彈簧的工作條件和重要程度有關(guān)，彈簧的許用應(yīng)力按受變載荷循環(huán)次數(shù)的情

11、況不同分三類(lèi)（見(jiàn)表2）；循環(huán)次數(shù)在106以上的重要彈簧（如內(nèi)燃機(jī)閥門(mén)彈簧和電磁閘瓦制動(dòng)彈簧等）為類(lèi)；循環(huán)次數(shù)在103-106之間及受沖擊載荷的彈簧（如調(diào)速器彈簧和一般車(chē)輛彈簧等）為類(lèi)；循環(huán)次數(shù)在103以下的彈簧（如一般安全閥門(mén)彈簧和磨擦式安全離合器彈簧等）為類(lèi)。碳素彈簧鋼的強(qiáng)度高、性能好，供應(yīng)充足，應(yīng)用廣泛，適于制造彈簧絲直徑d13mm的彈簧。按照用途分為三級(jí)：B級(jí)（d0.08-10mm）用于低應(yīng)力彈簧；C級(jí)d0.08-10mm用于中等應(yīng)用彈簧；D級(jí)（d0.08-6.0mm）用于高應(yīng)力彈簧。碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限b見(jiàn)表3。表3GB4357-89碳素彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度（GB/T1239.6-9

12、2）單位：MPa鋼絲直徑d/mm級(jí)別鋼絲直徑d/mm級(jí)別B級(jí)C級(jí)D級(jí)B級(jí)C級(jí)D級(jí)1.001600196023004.51320152016201.21620191022505.01320147015701.41620186021505.51270147015701.61570181021106.01220142015201.81520176020106.31220142015202.01470171019107.011701370-2.21420166018108.011701370-2.51420166017609.011301320-2.813701620171010.011301320-

13、3.013701570171011.01080127012703.213201570171012.01080127012703.513201570166013.01030122012204.0132015201620四、彈簧設(shè)計(jì)資料記號(hào)名稱(chēng)單位記號(hào)名稱(chēng) 單位記號(hào)名稱(chēng) 單位d材料直徑mmk彈簧定數(shù)kgf/mma1腕長(zhǎng)(作動(dòng)點(diǎn))mmD彈簧平均徑mm應(yīng)力修正kgf/mma2腕長(zhǎng)(固定點(diǎn))mmNa有效圈數(shù)變量mmE彈性系數(shù)kgf/mmL自由長(zhǎng)mmPi初張力kgfSUS 19,000kgf/mmM密著長(zhǎng)mmK應(yīng)力修正系數(shù)-SWP 21,000kgf/mmG橫彈性系數(shù)kgf/mm2e彈簧指數(shù) D/d-kT

14、d彈簧定數(shù)kgfmm/degSUS 7000kgf/mm2L 0自由長(zhǎng)mm彎曲應(yīng)力kgf/mmSWPA、B8000kgf/mm2a自由角°P點(diǎn)作動(dòng)點(diǎn)-SUWCd使用的角(變量)°P0點(diǎn)固定點(diǎn)-P彈簧荷重kgfR荷 重作用半徑mmkb彎曲修正系數(shù)- 壓縮彈簧(無(wú)研磨) 壓縮彈簧(研磨)彈簧定數(shù)：K=（G×d4）/（8×D3×Na）彎曲應(yīng)力：=（8×D×P）/（d3）×K K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C荷重：P=K×（安全確認(rèn)）安全角（間隔角）：14度以下彈簧指數(shù)：413扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：容許限界以下

15、第1荷重（A）：0.8L以下第2荷重（B）：1.2M以上引張彈簧荷重：P = k+ Pi初張力：Pi =（d4G）/（800D2）彈簧定數(shù)：K=（Gd4）/（8D3Na）彎曲應(yīng)力：=（8DP）/（d3）×k自由長(zhǎng)：L0= d(N+1)+2.2(D-d)（安全確認(rèn)）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：容許限界以下彎曲應(yīng)力：容許限界以下初張力的減少：（最大引張時(shí)）扭力彈簧(臂長(zhǎng)度的場(chǎng)合)彈簧定數(shù)不清：kTd =（Ed4）/3667D×N+389(a1+a2) 荷重：P =（kTd×d）/R彎曲應(yīng)力：=（Ed×d）/（360D×N）=（32P×R）/（d3）

16、5;kb (安全確認(rèn))：kb =（4C2C-1）/4C(C-1)彎曲應(yīng)力：容許限界以下4.1、彈簧設(shè)計(jì)使用的基本公式 4.1.1、壓縮彈簧與沒(méi)有初始張力的拉伸彈簧 4.1.2、有初始張力的拉伸彈簧 +4.2、設(shè)計(jì)彈簧時(shí)應(yīng)考慮的因素4.2.1、剪切彈性模量G材料符號(hào)G（N/mm2）彈簧鋼SUP6,7,8,9,9A,10,11A,12,1378x103碳鋼絲SW-B, SW-C78x103琴鋼絲SWPA, SWPB78x103油回火鋼絲SWO, SWO-V, SWOC-V， SWOSC-V, SWOSM, SWOSC-B78x103不銹鋼絲SUS302,SUS304,SUS304N1,SUS316

17、69x103SUS631 J174x1034.2.2、有效圈數(shù)壓縮彈簧 分別表示螺旋兩端的端部磨平圈數(shù)圖a-c 中閉口型，X1=X2=1圖d-f 中開(kāi)口型，X1=X2=0.75拉伸彈簧：Na=Nt4.2.3、螺旋端部形狀 （a）閉口端（無(wú)磨削） （b）閉口端（磨削） （c）閉口端（錐形） （d）開(kāi)口端（無(wú)磨削） （e）開(kāi)口端（磨削） （f）開(kāi)口端（錐形） （g）開(kāi)口端3/4端部磨平圈（無(wú)磨削） （h）正切尾端（無(wú)磨削） （i）抽頭尾端（無(wú)磨削）4.2.3、應(yīng)力修正系數(shù)相對(duì)于彈簧指數(shù)c的應(yīng)力修正系數(shù)取決于下式或圖4.2.4、其它應(yīng)考慮的事項(xiàng)、彈簧指數(shù)c：彈簧指數(shù)減小會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大。另外，彈簧

18、指數(shù)較大或較小時(shí)，加工性也成問(wèn)題。因此，熱軋成型時(shí)，彈簧指數(shù)可在415的范圍內(nèi)選擇。冷軋成形時(shí)，彈簧指數(shù)可在422的范圍內(nèi)選擇。、縱橫比：為了確保有效圈數(shù)，壓縮彈簧的縱橫比（自由高度與螺旋平均直徑之比）可設(shè)定為0.8以上，另外，在考慮到端部磨平圈的情況下，一般可在0.84范圍內(nèi)選擇。、有效圈數(shù)：如果有效圈數(shù)為3以下，彈簧特性則會(huì)變得不穩(wěn)定，因此應(yīng)將彈簧指數(shù)設(shè)定為3以上。、節(jié)距：節(jié)距超過(guò)0.5D時(shí)，由于螺旋直徑通常會(huì)隨著繞曲量(負(fù)載)的增加而發(fā)生變化，需要對(duì)利用基本公式求出的繞曲量與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行修正，因此應(yīng)將節(jié)距設(shè)定為0.5D以下。五、彈簧電鍍相關(guān)資料NO表面處理簡(jiǎn)單工藝介紹鍍后顏色用途鍍層厚度鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)1鍍金(Au)除油酸洗鎳底鍍金烘干金色降低接觸電阻，耐磨耗，保真效果。0.040.06m薄 1