弹簧设计规范(全)

弹簧设计规范(全)弹簧是一种弹性元件，具有多次重复地随外加荷载的变化而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。弹簧在机械中有多种应用，如减振和缓冲、测力、储存及输出能量、控制运动等。弹簧的分类方法有很多，包括按照承受的载荷不同分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同分为金属弹簧和非金属弹簧。每种弹簧都有其特点和应用。弹簧钢的主要性能要求是高强度、高屈服极限和疲劳极限。因此，弹簧钢材含碳量较高。但是，对于截面较大的弹簧必须使用合金钢，其中主要合金元素是硅和锰，它们可以增强钢的淬透性和屈强比。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。本章将重点介绍这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。弹簧材料中，最广泛使用的是弹簧钢（SUP）。碳素钢常用于直径较小的弹簧制造，工艺多采用冷拔成型，常见的有65#、75#和85#。直径稍大的弹簧则需采用热成型工艺生产，常用的材料是60Si2Mn，如汽车板簧和铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧，可采用50CrV，常用于高级轿车板簧、发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有65Mn、50CrMn、30W4Cr2V等。制造弹簧时，常向钢中加入矽、锰、铬、钒和钼等金属元素，以增加弹簧的弹性和疲劳限度，且使其耐冲击。大型弹簧多采用热作加工，即将弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度～850度左右的油或水中，再施以400度～500度的温度回火。小型弹簧则先经过退火，再用冷作加工，卷成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。琴钢丝是属于高炭钢材制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。油回火线含碳量0.6～0.7%应含锰，0.6～1.0%常用于螺圈弹簧。板弹簧常用0.9～1.0%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。在弹簧材料中，SUS302和WPB、SUS304和WPB、SWCSWB是常用的JIS代码。其中，SUS302和WPB经过冷加工可得高强度，广泛应用于铁路车辆、输送机螺丝、螺帽、弹簧等，具有耐热、耐蚀的特点。SUS304和WPB则富于展性，经过时效硬化处理后，增加了耐疲劳性和导电性。SWCSWB则耐疲劳性佳，要求精度高，常用于电池弹簧、开关弹簧等。在选用弹簧材料时，需要考虑多个因素，例如弹簧的用途、重要性、工作条件（包括载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质和工作时间等）、加工方法、热处理和经济性等。碳素弹簧钢价格低廉，强度高，性能优良，适用于承受静载荷和有限作用次数变载荷的小型弹簧。合金钢强度高，弹性好，耐温性强，适用于尺寸较大且承受冲击载荷的弹簧。不锈钢能够耐腐蚀和高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧。铜合金的耐腐和抗磁性能好，但强度较低，适用于受力较小但要求具备耐腐蚀和防磁性的弹簧。表3提供了优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。非金属弹簧的材料包括橡胶、塑料、软木和空气等。弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸、弹簧的工作条件和重要程度有关。根据受变载荷循环次数的不同情况，弹簧的许用应力分为三类（见表2）：循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为Ⅰ类；循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为Ⅱ类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为Ⅲ类。碳素弹簧钢具有高强度、良好性能、供应充足、应用广泛的特点，适用于制造弹簧丝直径d≤13mm的弹簧。按照用途分为三级：B级（d＝0.08-10mm）用于低应力弹簧；C级（d＝0.08-10mm）用于中等应用弹簧；D级（d＝0.08-6.0mm）用于高应力弹簧。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限σb见表3。表3GB4357-89碳素弹簧钢丝抗拉强度（GB/T1239.6-92）单位：MPa钢丝直径d/mm1.001.21.41.61.82.02.22.52.83.03.23.54.0B级1600162016201570152014701420142013701370132013201320级别C级1960191018601810176017101660166016201570157015701520D级2300225021502110201019101810176017101710171016601620钢丝直径d/mm4.55.05.56.06.37.08.09.010.011.012.013.0B级：四、弹簧设计资料弹簧设计需要掌握的基本记号包括：材料直径（d）、弹簧平均径（D）、有效圈数（Na）、自由长（L）、密着长（M）和横弹性系数（G）。不同材料的弹性系数也有所不同，SUS材料为19,000kgf/mm，SWP材料为21,000kgf/mm，而SUWC材料为7,000kgf/mm。弹簧定数（K）的计算公式为：K=（G×d）/（8×D^3×Na）。弯曲应力（τ）的计算公式为：τ=（8×D×P）/（π×d^3）×K。其中，弹簧指数（D/d）为4-13之间，荷重（P）的计算公式为：P=K×δ。需要注意的是，安全角（间隔角）应小于14度。对于压缩弹簧（无研磨）和压缩弹簧（研磨），弯曲修正系数P为2或4。第1荷重（A）应小于0.8L，第2荷重（B）应大于1.2M。对于引张弹簧，荷重（P）的计算公式为：P=kδ+Pi，其中，初张力（Pi）的计算公式为：Pi=（π×d^4×G）/（800×D^2）。弹簧定数（K）的计算公式同上，弯曲应力（τ）的计算公式也同上，自由长（L）的计算公式为：L=d×（N+1）+2.2×（D-d）。对于扭转应力，需要保证在容许限界以下。对于初张力的减少，在最大引张时需要注意。对于扭力弹簧，在臂长度的场合下，弹簧定数（kTd）的计算公式为：kTd=（Ed）/[3667D×N+389×（a1+a2）]，荷重（P）的计算公式为：P=（kTd×φd）/R，弯曲应力（σ）的计算公式为：σ=（Ed×φd）/（360D×N）。弧度15度，喷雾时间2小时，静置时间22小时，连续测试24小时以上。光能力强，同时具有较好的耐热性。在金属中导电性佳，导热率也很好。具有良好的防腐性，可以进行焊锡和导电，同时还具有耐磨性和良好的耐蚀性，镀层均匀。根据产品要求，可以进行防锈处理。此外，镀层厚度也有不同的选择，从0.04~0.06μm到1.2~1.5μm厚不等，铬的厚度可以达到0.5μm，而镍和银的厚度可以达到3~5μm。盐雾试验标准为24小时以上。镀银的颜色为银色，可以通过除油、酸洗、打铜底（必要时）、滚镀镀镍和镀银来完成。而镀锡可以通过除油、酸洗、无电除油、镍底和镀锡来完成。镀锌则可以通过除油、酸洗和镀锌来完成，同时可以进行发黑或发蓝的处理。五彩锌可以通过除