汽车用螺旋弹簧设计

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a
C
旋绕比
C
K t F1 Ip
4C 1 0.615 应力修正系数 K 4C 4 C 弹簧节距 mm 弹簧安装时的予加载荷 N 材料截面极惯性矩 , 圆形截面为
D d
Ip
d 4
32
m m4
圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式
1. 载荷 F 与变形 f 的简化计算式:
f
FD3n
4GI p
2. 弹簧的化学保护层 2-1.氧化处理:亦称发黑处理。表面产生一层磁 性氧化铁膜,厚度约为0.6-2微米。该氧化膜薄且 有气孔,其防护能力较差,仅适用于腐蚀性不强 的介质中的弹簧。氧化处理成本低,生产率高, 广泛地利用于普通弹簧上。 2-3.磷化处理:将弹簧置入含有锰、铁、磷的磷 酸盐中,使弹簧表面产生一层不溶于水的磷酸盐 薄膜的方法叫做磷化。膜厚约5-20微米,其抗腐 蚀能力是氧化处理的2-10倍。与镀锌处理一样, 在弹簧酸洗后磷化过程中,会产生大量的氢气使 弹簧产生氢脆,因此需要去氢处理。
Ⅰ类
σb
σb
σb
具体冷拔材料的许用剪切应力τ(MPa)注:不适用于直径小于
表5 1mm的钢丝
55Si2Mn; 55Si2MnB; 60Si2Mn;60Si2MnA; 50CrVA
材料
65Mn
不锈钢丝
710
Ⅲ类
570
740
570
许用剪 应力
〔τ〕
Ⅱ类
455
590
445
430
Ⅰ类
340
选取许用应力的原则
弹簧的表面处理
1.弹簧的金属保护层: 镀锌处理:锌在干燥空气中较安定,不变化。在 潮湿空气中会产生一层氧化锌白色薄膜,它可阻 止弹簧继续遭受腐蚀,可用于弹簧在一般大气条 件下防腐。凡是与硫酸、盐酸和苛性钠相接触的 弹簧则不宜用镀锌处理。 镀锌后的弹簧还可经钝化处理,藉以进一步提高 保护性能和增加美观。 镀锌层厚一般在6-24微米范围内选取。
(N)
8. 弹簧在Hi时的变形 fi
fi n 16Fi 4 4 2 2 ( R R ) ( R R ) k ( R R ) i 1 2 i 2 i 4 R2 R1 Gd
9. 弹簧剪切应力τ计算
16 Ri K Fi 3 d
扭杆弹簧
扭杆在汽车构造上应用较广泛,例如:扭杆式悬 架、行李箱盖扭簧、动力转向转阀扭杆等。
冷拔材料的许用剪切应力τ(MPa) 注:不适用于直径小于
表4 钢丝类型 油淬火回火 钢丝
0.55
1mm的钢丝 碳素钢丝或 琴钢丝
0.50σb
不锈钢丝
Ⅲ类
σb
0.40σb
(0.40 ~ 0.47) (0.38 ~ 0.45) (0.30 ~ 0.35)
许用剪 应力
〔τσ〕
Ⅱ类
σb
σb
σb
(0.35 ~ 0.40) (0.30~ 0.38) (0.25~ 0.30)
“强压处理”与“立定处理”的区别在于前者将弹 簧压缩到材料的屈服极限,而后者仅压缩到工作 极限高度或并圈高度数次。 如果强化处理得当,在同样的工作条件下,弹簧 的疲劳寿命可以提高5-35%左右。强化处理仅适 用于重要弹簧,譬如气门弹簧、悬架弹簧等,对 于一般弹簧则大可不必进行。
2.弹簧的喷丸处理: 不要将普通另件的喷砂处理误认为喷外处 理。前者是清理工艺而后者是强化处理工 艺,它是提高弹簧疲劳寿命的最有效方法 之一。 喷丸处理是将细钢丝切成微段(譬如 φ0.5-1mm的等长颗粒)以高速(例如12米 /秒) 击打弹簧的表面层,使其发生塑性变 形,从而形成一定厚度的表面强化层。
汽车用螺旋弹簧
设计和制造知识
汽车常用弹簧
1.圆柱螺旋压缩弹簧 悬架弹簧、气门弹簧等。 2.圆柱螺旋拉伸弹簧 各种拉簧 3.圆柱螺旋扭转弹簧 离合器踏板扭簧,变速手柄扭簧等 4.圆锥螺旋弹簧 自由舰后悬架截锥螺旋弹簧等 5.扭杆弹簧 行李箱盖扭簧
最常用的圆柱螺旋压缩弹簧
符号: n
D d G
弹簧有效圈数 弹簧中径 mm 弹簧钢丝直径 mm 弹簧材料的切边模量 G 71.5 103 MP (冷卷制) a G 80103 MP (热卷制)
2.弹簧压并圈时的节距 t mm
t d 1 ( R2 R1 2 ) nd d材 料 直 径 mm
3.弹簧螺旋角α度
2 32R2 Fz t 4 Gd 2R2
弹 簧 开 始 有 弹 簧 圈 接 的 F为 弹 簧 最 大 工 作 载 荷
载 荷 Fz 0.85F N
4.弹簧有效工作圈的自由高度 H’o
Zm
d 4
32
m m4 m m3
I
d 3
64
7. 扭簧刚度 Kφ
k T


EI 180Dn
N-mm/(°)
8. 工作圈数 n
EI n 180TD
截锥螺旋弹簧
圆锥螺旋弹簧
截锥螺旋弹簧的刚度特性是非线性的,圆 锥角ψ越大,弹簧刚度变化越大,自振频率 的变化越高,对于消除或缓和共振越有利。 所以自由舰后悬架弹簧就采用锥形弹簧。 然而锥角ψ越大,材料利用率越低,大到一 定程度时,弹簧可能发生自锁而不能回弹。
强化层内形成了较高的剩余压应力,由此 可以抵消一部分弹簧受交变载荷后所产生 的部分最大拉应力,从而提高了弹簧的疲 劳强度。 除此之外,喷丸处理还可消除弹簧表面的 疵点、脱碳(严重降低弹簧的疲劳强度) 和微小缺陷,从而消除或减少了疲劳源。 应当指出,喷丸后的弹簧长度会变短,制 定工艺时应予以考虑。喷丸处理和强化Fra Baidu bibliotek 理可同时在重要弹簧上采用,譬如悬架弹 簧。
截锥螺旋弹簧的计算
1. 弹簧有效工作圈数n
Gd 4 R2 R1 n ( 4 ) 4 16k R2 R1 式 中 : 材 料 切 变 模 量 G 78700 MPa k弹 簧 在 工 作 载 荷 下 的 刚 度N / m m R1最 小 工 作 圈 的 中 半 径 mm R2最 大 工 作 圈 的 中 半 径 mm
圆柱螺旋扭转弹簧
扭簧的结构型式:
扭簧设计参数
1. 2. 扭簧钢丝直径 d mm D1 D2 D 扭簧圈中径D mm 2 D1 内径 mm D2 外径 mm 旋绕比 C=D/d 可按表1 扭簧的试验扭矩T Nm
3. 4.
T
s
d 3
32 弯曲应力
s
N/m㎡
5. 扭转角υ(rad) TDn 180TDn (rad ) ()
5. 旋绕比 C=D/d 可采用下表的推荐值:
表1
d(mm)
0.2-0.4
0.5-1
1.1-2.2
2.5-6
7-16
18-50
C=D/d
7-14
5-12
5-10
4-9
4-8
4-6
弹簧节距t与自由高度H0
H0和t可参照下表2:
总圈数n1
节距t
H0 d n H 0 1 .5 d n H 0 2d n H 0 3d n H 0 3 .5 d n
1.扭矩T (Nm)
T FR cos 2.角刚度kα(Nm/rad)
T T k 初 始 角 ( rad )
扭 角 ( rad )
k k ( ) k C1 R cos R cos R k dF 1 k k 1 ( ) tan 2 C2 2 2 df R cos R F C1
3.扭转角刚度 kα (Nmm/rad)
k T


d 4G
32L
其它形状截面的扭杆计算参见表格6.
结束语
汽车常用弹簧除了上述5种外,还有叶片 簧(钢板弹簧)、碟簧、橡胶弹簧等,由 于比较专题,在此不再阐述,可查询相关 资料。
EI EI
E 弹簧材料的弹性模量(MPa) I 弹簧材料截面惯性矩 m m4 6. 弹簧圈内侧的的最大应力 σ
T 10.2T K1 Zm d3 K1曲 度 系 数 , 当 顺 旋 向 转 当 逆 旋 向 扭 转 时 K1 时K1 1 4C 1 4C 4
Zm
弹簧材料的抗弯截面系数 圆形截面
1.对于行驶安全有重大影响的弹簧,许用剪切应力 应适当降低。 2.当弹簧的实际剪切应力大于许用应力而又无法通 过调整弹簧设计参数来降低时,则可考虑采用强 压处理或喷丸处理等工艺措施来实现。
弹簧强压处理和喷完处理
1. 强压处理:
压缩型(拉伸型)螺旋弹簧表面承受剪切应力τ, 越往中心去剪切应力越小,心部为零。如果弹 簧中的剩余应力与工作应力方向相反时,则可 提高弹簧的承载能力和疲劳寿命。 强压处理是将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。 但是,经强压处理后弹簧的自由高度会缩短, 制造中应予以考量。

cos 1 ( ) tan C2 cos2
3.载荷F
F
(N)
k k ( ) k C1 R cos R cos R k dF 1 k k 1 ( ) tan 2 C 2 df R cos2 R2 C1
常用扭杆材料的截面时圆形的。 扭杆直径 d mm 有效长度 L mm 力臂长度 R mm 4 则:极惯性矩 d
Ip
32 Zt
抗 扭 截 面 系 数
d
3
16
1.扭转剪切应力τ
T 16T 3 Z t d N / m m2
2.扭角 υ
TL 32TL 2L 4 (rad ) GI p d G dG
端部形式
n+1.5 n+2
两端圈磨平
n+2.5
n+2 n+2.5
两端圈不磨
压缩弹簧自由高度H0
可参照表3计算: 总圈数n1 自有高度H0 nt+d nt+1.5d nt+2d nt+3d
两端圈不磨 两端圈磨平
端部形式
n+1.5 n+2 n+2.5 n+2 n+2.5
nt+3.5d
压缩弹簧的典型图样
8FD3n 8FC3n 4 Gd Gd
mm
2.
载荷与应力的计算式:
K
8 FD 8FC 2 K ( N / mm ) 3 2 d d
3.弹簧刚度k
N/mm
Gd 4 GD k 3 8 D n 8C 4 n
4.工作圈数n
Gd 4 f Gf GD n K 3 2 8FD dC 8C 4 k

cos 1 ( ) tan C2 cos2
系数C1和C2分别参看以下相应曲线图。
4. 静变形fs (mm)
F fs k C3 R cos C3 R 1 t an cos
1 t an
系数C3也可查右曲线图而得。
扭杆的扭角和应力计算
H’o =nπα(R2 +R1) 5. 任意弹簧圈 i 的半径Ri
Ri R2 ( R2 R1 ) i n
mm
6. 从大端工作圈到弹簧圈i的钱高度 Hi
i H i 2ia R2 ( R2 R1 ) 2n
7. 弹簧在变形Hi时的载荷计Fi
Gd 4 k Fi 32Ri2 2Ri
弹簧的热处理
热处理工艺取决于材料的品种和加工状态。
1.第一种类型:经过强化处理的钢丝,如碳素弹簧 钢丝琴钢丝、油淬回火弹簧钢丝和钢带,它们以 冷成形工艺制作成弹簧,成形后只需进行去应力 退火处理。 2.第二种类型:凡是用热成型和已退火材料冷卷的 弹簧,均需进行淬火回火处理。弹簧硬度:65Mn HRc46-48; HRc52-54.60Si2MnA HRc46-48 HRc5254; 50CrVA HRc46-48 HRc52-54
以下两种表达方式皆可:
弹簧技术要求含: 1. 总圈数 2. 工作圈数 3. 绕制方向 4. 表面处理 5. 制造技术条件 6. 设计计算参数
螺旋弹簧(压缩、拉伸)的许用应力
许用应力按所受载荷类型可分三类: 1. Ⅰ类载荷:交变载荷次数在 1106 以上 的弹簧 。 2. Ⅱ类载荷:交变载荷次数在 1103 ~ 1106 次 范围内的载荷,以及冲击载荷等弹簧 。 3. Ⅲ类载荷:受静载荷以及交变载荷次数在 1103 次以下的载荷等。
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