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结构工程师必备知识之:弹簧

作者:卡卡  来源:www.wzlishath.com/  更新时间:2020-03-23 11:21:15  点击次数:

   结构工程师必备知识之:弹簧

  弹簧的分类,按承载形式分类:压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧。
  压缩弹簧
  压缩弹簧是所有弹簧种类中最被广泛运用的一种,涉及到的行业有:机械制造、航天航空、电子电器、国防工业等。
  对压缩弹簧的标注要求如下图:
  拉伸弹簧
  拉伸弹簧受力方向与压缩弹簧相反,两端结构较压缩弹簧复杂。
  拉伸弹簧的标注及技术要求如下图
  拉伸弹簧的端部结构主要有以下几种:
  扭转弹簧
  主要承受扭矩,根据不同的安装要求其端部结构不同,常见的有:外臂扭转、内臂扭转、中心扭转、平列。
  图纸标注要求主要如下所示:
  扭转弹簧的端部结构
  弹簧的工作条件对弹簧材料的要求
  弹簧是一种利用材料弹性特点、用于现代各种机器和仪表中的重要零件,它的性能与材料的关系十分密切。为使弹簧能适用于各种工作环境及性能要求,可靠的工作,我们对制造弹簧的材料提出以下基本要求:
  高的抗拉强度
  弹簧材料必须具有高的屈服强度()与弹性极限(),尤其要有高的屈强比(),以避免弹簧在高载荷下产生永久变形。弹簧材料的的屈服强度、弹性极限均随材料的抗拉强度增高而增高,如冷拔碳素钢丝的屈服强度约为抗拉强度的90%左右。由于抗拉强度比屈服强度容易测得,在材料交货中提供的都是抗拉强度,故在设计和制造时一般都用抗拉强度作为依据。但材料的抗拉强度并不是越高越好,强过高会降低材料良好的塑性和韧性。
  在弹簧制造过程中材料需经受不同程度的加工变形,因此要求材料具有一定的塑性。例如形状复杂的拉伸弹簧和扭转弹簧的钩环和扭臂,当曲率半径很小时,对端部钩环或扭臂进行绕制或冲压弯曲成型时,弹簧材料均不能出现裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或交变载荷时,材料应具有良好的韧性,这样对提高弹簧疲劳寿命会有很大的益处。
  优良的表面状态及疲劳性能
  作为弹簧材料对表面质量要求非常严格,绝对不允许材料表面存在,如裂缝、折迭、鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕、压痕及脱碳等缺陷,这些缺陷都易使弹簧在工作过程中产生应力集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳源。
  为了提高弹簧材料的表面质量可以采用多种方法,如对材料的表面进行磨光或抛光,在钢丝拉拔前采用剥皮工艺剥除一层材料的表皮,这样可以将大部分的表面缺陷去掉采用剥皮常常用于制造要求较高的弹簧,如气门弹簧、油泵弹簧等。
  严格的尺寸精度
  许多弹簧对负荷精度有较高的要求,例如气门弹簧的负荷偏差不得大于规定负荷的5~6%。以具有圆截面的拉、压弹簧为例,如果钢丝直径偏差为1%,负荷就会产生4%左右的偏差。由此可见,严格的尺寸精度对保证弹簧的质量也是十分重要的。
  具有良好的均匀一致性
  对材料的均匀性要求是指对材料的化学成分,机械性能,尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致。对一批材料或一捆钢丝,要求它的化学成分、物理、力学性能变化很小。如果材料各方面性能不一致,会给弹簧生产带来很大的困难,造成产品的几何尺寸、硬度、负荷等参数的离散性,严重的材料不均匀性甚至会造成废品。
  在实际生产时,不论用车床进行有芯卷绕或是用自动卷簧机绕,都希望同一批材料卷绕出的弹簧几何尺寸稳定,长度、直径、节距偏差很小。因此要求材料软硬要一致,卷制弹簧后的回弹量相同(回弹是指卷绕后放松时所产生的直径增大现象)。
  具有耐腐蚀耐高温性能
  用于化工、石油和船舶等工业部门所用的弹簧通常在潮湿或腐蚀介质的情况下工作,要求弹簧材料应具有较高的抗腐蚀能力,此时可采用耐腐蚀性能较好的铜合金材料或不锈钢材料。
  用于原子能、航天航空、兵器等工业部门的一些弹簧,要求能在较高的工作温度下服役,例如:内燃气轮机中的喷油器弹簧,其工作温度高达200~500℃。航空发动机和核反应堆某些关键部位的弹簧,工作温度可高达到300~500℃。在这种条件下工作的弹簧材料往往要求具有低弹性模量温度系数和高的持久强度。这时,需采用特殊用途的弹簧材料。
  常用弹簧材料中大部分是碳素弹簧钢,其化学成分中除含有铁以外还有一定量的碳以及其它杂质,还有一部分碳素弹簧钢具有较高的含锰量,称为高锰碳素弹簧钢,典型的有65Mn。合金弹簧钢和一些特殊用途的弹簧材料,则是在碳素钢的基础上添加了一定量的合金元素,从而使材料能满足弹簧的工作环境及性能要求。如高的弹性极限、良好的淬透性、耐腐蚀性及耐高温性等等。
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