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          壓力彈簧設計

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          設計螺旋壓力彈簧時,一般給出最大工作載荷 F和所對應的變形,其設計步驟為∶首先根據工作條件選擇材料,確定出許用切應力τ。然后初步選取彈簧旋繞比C=5~8,根據公式計算出彈簧材料的直徑 d,圓整為標準值;由 D=Cd計算出D。根據表計算出工作圈數 n。當此三個基本參數確定后,再驗算彈簧的試驗載荷和疲勞強度。最后計算出有關幾何參數∶節距t、螺旋角α、內徑D、外徑 D2、自由高度 H。和彈簧材料的長度 L等。必要時應進行彈簧的穩定性驗算。在設計彈簧時,往往先選取幾個C值同時計算,將結果進行比較,最后選擇適宜的數值。所以這種計算方法較為復雜。

          

          例如,設計一圓柱螺旋壓力彈簧。當最大工作載荷F=1400N時,其變形=20mm。所受載荷為靜載荷,要求各圈受力均勻并具有防腐蝕能力。

          

          解 (1)選擇材料和確定許用應力 根據彈簧所受載荷特性及要求,查表選用 B組不銹彈簧鋼絲。許用應力τ可查表按受靜類載荷的彈簧考慮,其τ=0.45σb。材料的抗拉強度σb與鋼絲直徑d有關,先假設鋼絲直徑d=5~7mm,其對應的σb=1350~1600MPa。根據查表得切變模量G=71.5×10'MPa。取試驗切應力τs=τ=0.45σb=0.45×1350=608MPa。

          

         ?。?)選擇旋繞比查表初步選取旋繞比C=5。

          

         ?。?)計算鋼絲直徑 直徑公式d≥1.6√KFC/τ

          

          由于所受載荷的靜載荷,所以取曲度系數K=1。

          

          d≥1.6√1*14000*5/608MM=5.4

          

          鋼絲直徑d在假設范圍內,查表選取d=5.5mm。

          

         ?。?)彈簧的中徑 D=Cd=5×5.5mm =27.5mm

          

          查表取系列值D=25mm。

          

         ?。?)計算彈簧圈數

          

          n=Gd^4f/8FD^3=71500*5.5^4*20/8/1400/25^3=7.5圈

          

          取n=7.5圈。

          

          計算試驗載荷 根據試驗載荷公式

          

          Fs=πd^3/8/Dτs=π5.5^3/8/25*608N=1588N

          

         ?。?)自由高度 為了增加其受力均勻性,采用 YI型端部結構兩端并緊并磨平,按式可知其自由高度∶H0=nt+1.5d

          

          取δ,=0.1d,按式初估節距∶t=d+f/n+σ1=(5.5+20/7.5+0.1*5.5)mm=8.7mm

          

          代入上式得自由高度∶H0=(7.5×8.7+1.5×5.5)mm =73.5mm

          

          查表取H0=75mm。

          

         ?。?)彈簧的節距 查表可得節距∶t=(H0-1.5d)/n=(75-1.5×5.5)/7.5mm =8.9mm

          

         ?。?)彈簧的螺旋角 根據公式可得螺旋角∶α= arctan t/π/D= arctan8.9/π/25=6.5度

          

          此值符合一般要求α=5度~9度。

          

         ?。?0)彈簧的穩定性驗算 采用兩端固定支承。其高徑比∶b=H0/D=75/25=3

          

          查表可知b<5.3、滿足穩定性要求。

          

         ?。?1)彈簧材料展開長度 根據公式可得材料展開長度∶L=πDn1/cosα=π*25*9.5/cos6.5度mm =751mm

          

         ?。?2)彈簧的實際性能參數 根據查表可知彈簧剛度∶F'=Gd^4/8D^3n=71.5×10^3×5.5^4/8/25^3/7.5N/mm =69.8N/mm

          

          對應于變形f=20mm的彈簧載荷∶F=F'f =69.8×20N =1396N

          

          彈簧的試驗變形∶fs=Fs/F'=1667/69.8mm =24mm

          

         ?。?3)彈簧的工作圖 工作圖見圖。圖中D和H0公差按 GB/T1239.2中的3級精確度選?。ū?-4和表7-6)。兩端圈與彈簧軸線的垂直度公差以及載荷允許偏差按2級精度查?。ū?-8)。如選取旋繞比C=7、按照上列同樣步驟計算,可得其主要幾何參數為d=6.5mm,D=45mm,n=3圈,n=5圈,H。=52mm,這些結果也滿足基本要求。但有效圈數較少,彈簧直徑較大,從結構型式看不如選取C=5的結構較為合理。

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