螺旋弹簧端部可以碾细、并紧,直角切断或向内弯曲,典型结构如图4—15所示。其中(a)为两端碾细,亦即在绕制弹簧之前先将钢丝两端碾细,碾细部分长度在绕后约占240°,末端厚度为钢丝直径的1/3左右,绕成后末端几乎贴紧相邻一圈弹簧。必要时,两端都要磨平。这种结构的优点是节约材料,占用垂向空间小,特别是由于两端都平整,安装时可以任意转动,因而设计时弹簧的圈数可以取任意值,不必限于整数。其缺点是碾细需要专门工序和设备,增加了制造成本。(b)为直角切断型,其中一端并紧形成与弹簧轴线垂直的平面。这种结构的优点在于绕制简单,成本低,其缺点是增大了垂向尺寸和材料消耗,安装时需要一定方向并且需与之相配套的弹簧座,若两端都未整平,则修改设计时,弹簧圈数必须按整数增减。(c)为端部向内弯曲并形成与弹簧轴线垂直的平面,这种结构常用于和弹簧座配合起定位作用,若两端都内弯,则需要专用设备。
图4-15螺旋弹簧的端部结构
表4—1列出了不同端部结构时弹簧总圈数n与有效圈数i以及弹簧完全并紧时的高度
Hs间的关系,其中Hs公式中的系数1.01为考虑螺旋角的补偿系数,t为端部碾细时的末
端厚度。
表4-1螺旋弹簧不同端部结构时的总圈数n及并紧高度Hs
两端碾细 两端切断 两端内弯 一端碾细一端切断
总圈数n
完全并紧时的高度Hs
i+2 i+1.33
1.01d(n?1)+2t 1.01d(n+1) 1.01d(n?1.25)
i+1.50 i+1.67
1.01dn+t
一端碾细一端内弯 一端切断一端内弯
i+1.75 i+1.42
1.01d(n?1)+t
.01dn
3.螺旋弹簧的设计计算
螺旋弹簧的设计计算分以下几步:
(1)根据总布置要求及悬架的具体结构型式求出需要的弹簧刚度Cs,设计载荷时弹的受力Pi,及弹簧高度Hi,悬架在压缩行程极限位置时弹簧高度Hm。
(2)初步选择弹簧中径D。,端部结构型式及所用的材料。
(3)参考相关标准确定台架试验时伸张及压缩极限位置相对于设计载荷位置的弹簧变形量f1,f2,并确定要想达到的寿命nc (循环次数)。
(4)初选钢丝直径d,并由相关材料标准查出许用拉应力[σ]。 (5)由式(4-27)解出i,用表4—1中的相应公式求出Hs。
(6)由Hs,Pi,Hi及Cs可求出弹簧在完全压紧时的载荷Ps,台架试验伸张、压缩极限位置对应的载荷P1,P2,以及工作压缩极限位置的载荷Pm分别为
Ps=Pi+Cs(Hi+Hs) (4-30) P1=Pi?Csf1 (4-31) P2=Pi+Csf2 (4-32) Pm=pi+Cs(Hi?Hm) (4-33)
(7)按弹簧指数C=Dm/d及K的表达式(见式(4-29)下的说明)求得K,运用式(4—28)
'
'
τ2,τs以及τmax (计算出的τs>τmax,求出载荷P1,P2,Ps以及Pm所对应的剪切应力τ1,
但τmax是悬架工作时弹簧实际对应的最大剪应力,对应悬架的极限压缩状态)。
(8)校核τmax是否小于[τ]=0.63[σ],若不成立,则返回第(4)步重新选择钢丝直径d;若余量很大,则视第(9)步寿命校核结果决定是否重新选取较小些的直径d。
(9)校核台架试验条件下的寿命。给定试验条件下的循环次数n,可按下式估算:
?1.808?nc=??K??
?e?
式中Ke=
10.13
(4-35)
0.74(τ2?τ1)
1.48[σ]?(τ2+τ1)
若算出的nc小于预期的台架寿命,则返回第(4)步重新选择d;若有较大余量,则与第(8)步的结果综合考虑是否选择更小的钢丝直径以节约材料,减小质量。
(10)得到合适的d以后,可以进一步确定弹簧的自由高度H0和最小工作高度Hn:
H0=Hi+Pi/Cs (4-36) Hn=Hs+δdi (4-37)
式中δ——与弹簧指数C=Dm/d有关的系数。
弹簧的总圈数可由表8—1中求出。
(11)稳定性校核。又细又高的弹簧在大载荷作用下会失稳,失稳的临界载荷不仅与其高度对直径之比λ=H0/Dm有关,还与弹簧两端的支撑方式有关,对于钢丝截面为圆形的螺旋弹簧,其相对变形量f/H0必须小于如下临界值:
?f??H?0
2???C???1+1?6.89?0?? (4-38) ?=0.811??λ????cr
??
式中系数C0的取值见图4—16,必要时,可以重新选取Dm,然后从第(2)步开始重新计算。
图4-16不同支撑方式下C0的取值
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