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圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力工程一圆柱螺旋弹簧的结构形式
1.圆柱螺旋压缩弹簧如下左图所示,弹簧的节距为p在自由状态下,各圈之间应有适当的间距δ,以便弹簧受压时,有产生相应变形的可能,式中d为弹簧丝的直径圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧的端面圈弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧无间隙,只起支承作用,不参与变形,故称为死圈当弹簧的工作圈数n≤7时,弹簧每端的死圈约为
0.75圈;n7时,每端的死圈约为1~
1.75圈这种弹簧端部的结构有多种形式上右图最常用的有两个端面圈均与邻圈并紧且磨平的YI型图a、并紧不磨平的YIII型图c和加热卷绕时弹簧丝两端锻扁且与邻圈并紧端面圈可磨平,也可不磨平的YII型图b三种在重要的场合,应采用YI型,以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直,从而使弹簧受压时不致歪斜弹簧丝直径d≤
0.5mm时,弹簧的两支承端面可不必磨平d
0.5mm的弹簧,两支承端面那么需磨平磨平局部应不少于圆周长的3/4端头厚度一般不小于d/8,端面粗糙度应低于如下左图所示,圆柱螺旋拉伸弹簧空载时,各圈应相互并拢另外,为了节省轴向工作空间,并保证弹簧在空载时各圈相互压紧,常在卷绕的过程中,同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转这样制成的弹簧,各圈相互间即具有一定的压紧力,弹簧丝中也产生了一定的顶应力,故称为有预应力的拉伸弹簧这种弹簧一定要在外加的拉力大于初拉力P0后,各圈才开始别离,故可较无预应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间拉伸弹簧的端部制有挂钩,以便安装和加载挂钩的形式如下右图所示其中LI型和LII型制造方便,应用很广但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力,故只宜用于弹簧丝直径d≤l0mm的弹簧中LVII、LVIII型挂钩不与弹簧丝联成一体,故无前述过渡处的缺点,而且这种挂钩可以转到任意方向,便于安装在受力较大的场合,最好采用LVII型挂钩,但它的价格较贵螺旋弹簧的制造工艺包括a卷制;b挂钩的制作或端面圈的精加工;c热处理;d工艺试验及强压处理(强压处理是使弹簧在极限载荷作用下持续6~48h,以便在弹簧丝截面的危险区产生塑性变形和剩余应力,从而提高弹簧的静载强度用于长期振动,高温和腐蚀性介质中的弹簧,以及一般用途的弹簧不应进行强压处理)卷制是把符合技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上大量生产时,是在万能自动卷簧机上卷制;单件及小批生产时,那么在普通车床或手动卷绕机上卷制卷制分冷卷及热卷两种冷卷用于经预先热处理后拉成的直径d8~10mm的弹簧丝;直径较大的弹簧丝制作的强力弹簧那么用热卷热卷时的温度随弹簧丝的粗细在800~1000℃的范围内选择不管采用冷卷或热卷,卷制后均应视具体情况对弹簧的节距作必要的调整,对于重要的压缩弹簧,为了保证两端的承压面与其轴线垂直,应将端面圈在专用的磨床上磨平;对于拉伸及扭转弹簧,为了便于联接、固着及加载,两端应制有挂钩或杆臂参看上图及右图为了使弹簧能够可靠地工作,弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限,同时应具有足够的韧性和塑性,以及良好的可热处理性常用弹簧钢主要有以下几种碳素弹簧钢这种弹簧钢的忧点是价格廉价,原材料方便;缺点是弹性极限低,屡次重复变形后易失去弹性,且不能在高于120℃的温度下正常工作低锰弹簧钢例如65Mn这种弹簧钢与碳素弹簧钢相比,优点是淬透性较好和强度较高;缺点是淬火后容易产生裂纹及热脆性但由于价格廉价,所以一般机械上常用的尺寸不大的弹簧可以用此种材料制造,例如离合器弹簧等硅锰弹簧钢例如60Si2MnA这种钢中因参加了硅,故可显著地提高弹性极限,并提高了回火稳定性,因而可在更高的温度下回火,从而得到良好的力学性能但含硅量高时,外表易于脱碳由于锰的脱碳性小,故在钢中参加硅锰这两种元素,就是为了发挥各自的优点,并减少彼此的缺点,因此硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧50铬钒钢例如50CrVA钢中参加钒的目的是细化组织,提高钢的强度和韧性,故这种材料是耐疲劳和抗冲击性能良好的弹簧钢它有良好的力学性能,并能在-40~350℃的温度下工作,但价格较贵航空发动机调节系统中的弹簧多采用此种材料,如柱塞油泵的柱塞弹簧等此外,某些不锈钢和青铜等材料,具有耐腐蚀的特点,青铜还具有防磁性和导电性,故常用于制造化工设备中或工作于腐蚀性介质中的弹簧其缺点是不容易热处理,力学性能较差,在一般机械中很少采用在选择材料时,应考虑到弹簧的用途、重要程度、使用条件包括载荷性质、大小及循环特性,工作持续时间,工作温度和周围介质情况等,以及加工、热处理和性等因素同时,也要参照现有设备中使用的弹簧,选择出较为合用的材料弹簧材料的许用扭转切应力[τ]和许用弯曲应力[σ]b的大小和载荷性质有关,静载荷时的[τ]或[σ]b较变载荷时的大表中推荐的几种常用材料及其[τ]和[σ]b值,可供设计时参考碳素弹簧钢丝拉伸强度极限σB值按表选取模板内容仅供参考 。