对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义

对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义朱炎(宏伟机械厂)摘 要目前冒内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差 异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。关键词强压处理电抛光处理截锥形弹簧的设计-●JL_—-刖罱应××××出版社的要求,笔者对近四十年以来国内(包括国外译著)机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读.从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手船中的一些内容节录,并与笔者根 据实践和分析后的结果阐述如下.一、关于弹簧的强压(拉、扭)处理‘GBl805弹簧术语>对弹簧强压(拉、扭)处理作了如下定义:“将弹簧压缩(拉伸、 扭转)至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力,以达到提高弹簧承载能力和稳 定几何尺寸的一种工艺方法一. 化学工业出版杜出版的‘机械设计手册'【Il第15章搿弹簧的强化处理及热处理—强压 (强控、强扭)处理一一节中,以理论力学做了分析后得出结论认为t搿以上结论表明:设计 弹簧时.如以弹簧材料扭转屈服极限T 2为设计计算应力.压缩弹簧经强压处理后,材料截面 表层可能存在近于T 2,3的负残余应力.故弹簧承袭时,截面表层的实际应力比计算应力低约 l,3.…故亦相当于承载能力提高了l,3.一该手册还认为:不同类型的弹簧其强压处理的方法…扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向.加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩:压缩弹簧和 拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切交弹性极限的压缩和拉伸竣荷;扭转弹簧加以超过弹一158—簧材料极限的扭矩,都可以提高弹簧的承载能力。 机械工业出版社出版的‘机械设计手册》【2】(1993年版)第30篇提出:“经过强压(拉) 处理的弹簧,可以提高弹簧的许用应力.c P,最高可以达25%……” 根据‘机械设计手册>田提供的资料,可以统计并得到弹簧强压(拉、扭)处理前 和强压处理后可以达到的许用应力【T】值。列表如下: 弹簧种类 压缩弹簧许用应力 I类【.【】=(0.35~0.4)ob强压处理后可以达到的许用应力【T】=(O.44~0.532)o 【.|】=(0.50~0.625)o 【T】=(0.62~0.731)ob b b h b b b fⅡ类【T】=(O.4~0.47)o b Ⅲ类【.r】-(O.5~O.55)obI类=【.【】(0.28~O.32)o拉伸弹簧【T】=(0.35~O.425)o 【-【】=(0.40~0.505)o 【.r】=(0.50~0.585)ofⅡ类=【.【】(O.32~0.38)o b Ⅲ类=【.r】(O.40~0.44)o b 强扭处理前的工作极限弯曲应力oⅡ类【.【】=0.625 Ⅲ类【.r】=0.80 oo b强压处理后可以达到的极限弯曲应力o【1】=(O.78~0.83)o 【.【】=(1.00~1.06)ob b扭转弹簧b注:(1)I类载荷(106以上);Ⅱ类载荷(103~105); Ⅲ类载荷(103以下) (2)强压(拉、扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应 力的1.25~1.33倍计算得到的。通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%~33%,这对于刚刚接触机械零件设 计的技术人员来说,确实是一个有非常吸引人的数据。 但是,经过笔者的实践和分析,认为:通过强压(拉、扭)处理来提高弹簧的承载能力 是有条件的。因为在强压处理过程中,只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余 应力,才能获得强压的效果,并且只有在强压(拉、扭)时,使得弹簧材料产生的残余应力 即塑性变形越大,弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的,一旦超过这个极限,材料不仅会产生塑性变形,而且会“完全屈服”变形,许多弹 簧在强压(拉)到材料的0.5ob就已经“完全屈服”变形了。各种材料屈服极限值也有差异,屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外,强压(拉、扭)处理的效果与弹簧 的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言。旋绕比大或者螺旋升角小的(压缩弹簧)就不可能通过强压处理来提高它的承载能力,旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的,需要通过强压设计和试验才能确定。所以,并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭,就能够一下子提高承载能力多少多少的。 综上分析,弹簧强压处理的压应力t臼或者压力P国首先应该满足以下公式要求: 1四=8DP国,1【d3>ts≥0.5同时,当t伪/o b>0。8时,会使材料达到屈服极限,弹簧出现永久变形,反而使载荷减少。因此强压处理的压应力T臼,o b必须在0.5~0.8范围内。一159—从上面表格中可以看出:除非是高应力弹簧,一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压(拉、扭)的必备条件,但可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如:对于压缩弹簧和扭转弹簧,可以通过对它预留强压的“预制高一和搿预制角一来实现 两个目的:一是使得弹簧材料截面表层可以产生残余应力的。压缩量一和“扭转量一;二是经 过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就 不容易实现. 根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨13l,得到对弹簧强压处理的 意见是: l、在考虑要对弹簧作强压处理时,应该先对弹簧进行强压设计,以确定该弹簧是否适合 做强压处理.’夏具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等.经过强压处理后力学性能会得到明显的改善.3、有初拉力要求的拉伸弹簧,在强拉处理时初拉力会减少甚至消失,这类弹簧不 能做强拉处理柳.而无初拉力要求的拉伸弹簧,是不容易通过强拉处理来提高承载能力的。4、高温(超过+60℃)及J膏蚀条件下工作的弹簧作强压处理,只能起稳定尺寸的作用,不能提高承载能力. 5、通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的承载能力在实际上是不可取的13】,并以此 可以推断出:对于各种交剐度的弹簧,是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。二、关于电抛光处理为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能,一些文献愧出:“可以对用精密合金、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理,以微量削减材料表层, 来达到需要的尺寸和特性。一 笔者经过实践后认为。采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的,这对一些压缩弹簧、 弹簧片和波纹管可以适当的采用,但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧,不适合用电抛光来降低其力学性能.因为,电抛光的电流及其电介液(含硫酸、硝酸等)在极短的时间内(抛光的时间一般2~ 8秒)不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙,这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的 截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形,这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从 电抛光对弹簧性能的影响考虑出发,是不宜用过多的时间去电抛光.因为在酸溶液的时间过 长,对弹簧强度的影响是绝对存在的,而且是有害的。其次,电抛光的溶液使用期较低,工艺参数变化大,每批弹簧都需要经过试验后才能确定,从经济上考虑也提高了成本。目前各 种牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应,基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧,想通过电抛光来削减其微量尺寸。以达到需要的特性,并不可取的.对化学抛光也存在同样的闯题。一160一关于截锥形弹簧的设计19舵年以后,我国出版的各种机械工程手册中介绍了等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算 方法,其中都提刭等螺旋升角截锥形弹簧所形成的螺旋线,在与弹簧中心线相垂直的支承面 上的投影是对数学I■线,即:R—RIem。m・IIl(R2-R1)/27r但是.在实际介绍这种弹簧的变形和应力计算以及其几何尺寸时,又将它和等节距截锥形弹簧混为一谈.这就给有精度要求的等螺旋升角截锥形弹簧的设计和制造带来困难.笔者因为工作需要.曾经推导过等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法网,也曾经查阅过国外有关等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法,其中前苏联嘲的计算公式是完全正确的、精确的.另外,等节距截锥形弹簧的设计计算公式也存在一些问愿.今后将在专门的文章里提出讨论.在藏锥形弹簧的设计计算这个问题上,对于‘机械设计手册>这部中田机械零件设计指 导性手册的正确性和糟确性,是否有些小小的遗憾.后语笔者提出的上述观点对于专门从事弹簧的技术人员来说,或许是徽不足道的.但是,‘机械设计手册>的对象是田内外广大从事机械工程设计和制造的科技工作者.‘机械设计手册> 是一本具有指导性、权威性和经典的文献,手册中的观点方法和公式等内容.都必须是严密 精确的,符合生产实际的.否则会给使用单位和使用人员带去困难和麻烦. 最后,我盈弹簧的设计与制造标准已涉及到许多种类的弹簧,但是截锥形弹簧的设计与 制造标准还是一个空白.截椎形弹簧在我国的航空、航天和汽车制造工业等都在应用.是否在适当的时机能制定一个截锥形弹簧的标准?参考文献fl】成大先生■,机械设计手册第3眷.化学工业出版社.20吆年1月.第11.149页 12】徐■主■,机■设计手册第4眷.机辕工业出I譬|社.19粥年8月.第30麓12页D1朱炎,簟锥形弹簧爱压处曩效果摄讨.全田材辩强度及残余应力学术会,19舛年 14】金t根主■.航空I舅造工程手羼—弹性元件工艺. 航空工业出版社.19舛年嘲朱炎.引导伞■簟形弹簧的计算方法,第二届全田航空安全救生学术讨论会,1984 嘲H・c・阿切尔康.机攮翻造者手册,机械工业出版社,l%5年一161.一对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义作者: 作者单位: 被引用次数: 朱炎 宏伟机械厂 1次本文读者也读过(10条) 1. 朱国忠 圆柱螺旋弹簧审核计算的程序设计[会议论文]-2004 2. 周长城.孟婕.ZHOU Chang-cheng.MENG Jie 调整垫片对油气弹簧开阀压力影响的研究[期刊论文]-机械设计与制造2008(1) 3. 周长城.顾亮.ZHOU Chang-cheng.GU Liang 矩形节流阀片可调油气弹簧旁通阀流量设计研究[期刊论文]-拖拉机与农用运输车2006,33(2) 4. 张继魁.张爱军.吴振凡.董伦.郭光荣 67CrVA弹簧钢在斯太尔发动机气门弹簧上的应用试验[期刊论文]-汽车技术2003(11) 5. M.T.TODINOV.姚俊 汽车悬架弹簧表面的残余应力[会议论文]-2004 6. 赵春伟.陈敏.张静亚 摩托车减震弹簧的断裂分析及预防[会议论文]-2006 7. 张成杰.张万学 小旋绕比大螺旋角圆柱螺旋压缩弹簧设计计算[会议论文]-2004 8. 张成杰.张万巨 弹簧热强压处理和弹簧的稳定性[会议论文]-2006 9. 赵春伟.梁泉.施建兰.杨阳.陈敏 摩托车减震弹簧的稳定性分析与预防[会议论文]-2010 10. 蔡艳辉.周长城 线性非均布压力下减振器环形阀片变形解析计算[期刊论文]-农业装备与车辆工程2009(10)本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6056003.aspx

对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义朱炎(宏伟机械厂)摘 要目前冒内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差 异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。关键词强压处理电抛光处理截锥形弹簧的设计-●JL_—-刖罱应××××出版社的要求,笔者对近四十年以来国内(包括国外译著)机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读.从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手船中的一些内容节录,并与笔者根 据实践和分析后的结果阐述如下.一、关于弹簧的强压(拉、扭)处理‘GBl805弹簧术语>对弹簧强压(拉、扭)处理作了如下定义:“将弹簧压缩(拉伸、 扭转)至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力,以达到提高弹簧承载能力和稳 定几何尺寸的一种工艺方法一. 化学工业出版杜出版的‘机械设计手册'【Il第15章搿弹簧的强化处理及热处理—强压 (强控、强扭)处理一一节中,以理论力学做了分析后得出结论认为t搿以上结论表明:设计 弹簧时.如以弹簧材料扭转屈服极限T 2为设计计算应力.压缩弹簧经强压处理后,材料截面 表层可能存在近于T 2,3的负残余应力.故弹簧承袭时,截面表层的实际应力比计算应力低约 l,3.…故亦相当于承载能力提高了l,3.一该手册还认为:不同类型的弹簧其强压处理的方法…扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向.加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩:压缩弹簧和 拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切交弹性极限的压缩和拉伸竣荷;扭转弹簧加以超过弹一158—簧材料极限的扭矩,都可以提高弹簧的承载能力。 机械工业出版社出版的‘机械设计手册》【2】(1993年版)第30篇提出:“经过强压(拉) 处理的弹簧,可以提高弹簧的许用应力.c P,最高可以达25%……” 根据‘机械设计手册>田提供的资料,可以统计并得到弹簧强压(拉、扭)处理前 和强压处理后可以达到的许用应力【T】值。列表如下: 弹簧种类 压缩弹簧许用应力 I类【.【】=(0.35~0.4)ob强压处理后可以达到的许用应力【T】=(O.44~0.532)o 【.|】=(0.50~0.625)o 【T】=(0.62~0.731)ob b b h b b b fⅡ类【T】=(O.4~0.47)o b Ⅲ类【.r】-(O.5~O.55)obI类=【.【】(0.28~O.32)o拉伸弹簧【T】=(0.35~O.425)o 【-【】=(0.40~0.505)o 【.r】=(0.50~0.585)ofⅡ类=【.【】(O.32~0.38)o b Ⅲ类=【.r】(O.40~0.44)o b 强扭处理前的工作极限弯曲应力oⅡ类【.【】=0.625 Ⅲ类【.r】=0.80 oo b强压处理后可以达到的极限弯曲应力o【1】=(O.78~0.83)o 【.【】=(1.00~1.06)ob b扭转弹簧b注:(1)I类载荷(106以上);Ⅱ类载荷(103~105); Ⅲ类载荷(103以下) (2)强压(拉、扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应 力的1.25~1.33倍计算得到的。通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%~33%,这对于刚刚接触机械零件设 计的技术人员来说,确实是一个有非常吸引人的数据。 但是,经过笔者的实践和分析,认为:通过强压(拉、扭)处理来提高弹簧的承载能力 是有条件的。因为在强压处理过程中,只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余 应力,才能获得强压的效果,并且只有在强压(拉、扭)时,使得弹簧材料产生的残余应力 即塑性变形越大,弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的,一旦超过这个极限,材料不仅会产生塑性变形,而且会“完全屈服”变形,许多弹 簧在强压(拉)到材料的0.5ob就已经“完全屈服”变形了。各种材料屈服极限值也有差异,屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外,强压(拉、扭)处理的效果与弹簧 的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言。旋绕比大或者螺旋升角小的(压缩弹簧)就不可能通过强压处理来提高它的承载能力,旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的,需要通过强压设计和试验才能确定。所以,并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭,就能够一下子提高承载能力多少多少的。 综上分析,弹簧强压处理的压应力t臼或者压力P国首先应该满足以下公式要求: 1四=8DP国,1【d3>ts≥0.5同时,当t伪/o b>0。8时,会使材料达到屈服极限,弹簧出现永久变形,反而使载荷减少。因此强压处理的压应力T臼,o b必须在0.5~0.8范围内。一159—从上面表格中可以看出:除非是高应力弹簧,一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压(拉、扭)的必备条件,但可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如:对于压缩弹簧和扭转弹簧,可以通过对它预留强压的“预制高一和搿预制角一来实现 两个目的:一是使得弹簧材料截面表层可以产生残余应力的。压缩量一和“扭转量一;二是经 过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就 不容易实现. 根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨13l,得到对弹簧强压处理的 意见是: l、在考虑要对弹簧作强压处理时,应该先对弹簧进行强压设计,以确定该弹簧是否适合 做强压处理.’夏具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等.经过强压处理后力学性能会得到明显的改善.3、有初拉力要求的拉伸弹簧,在强拉处理时初拉力会减少甚至消失,这类弹簧不 能做强拉处理柳.而无初拉力要求的拉伸弹簧,是不容易通过强拉处理来提高承载能力的。4、高温(超过+60℃)及J膏蚀条件下工作的弹簧作强压处理,只能起稳定尺寸的作用,不能提高承载能力. 5、通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的承载能力在实际上是不可取的13】,并以此 可以推断出:对于各种交剐度的弹簧,是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。二、关于电抛光处理为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能,一些文献愧出:“可以对用精密合金、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理,以微量削减材料表层, 来达到需要的尺寸和特性。一 笔者经过实践后认为。采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的,这对一些压缩弹簧、 弹簧片和波纹管可以适当的采用,但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧,不适合用电抛光来降低其力学性能.因为,电抛光的电流及其电介液(含硫酸、硝酸等)在极短的时间内(抛光的时间一般2~ 8秒)不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙,这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的 截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形,这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从 电抛光对弹簧性能的影响考虑出发,是不宜用过多的时间去电抛光.因为在酸溶液的时间过 长,对弹簧强度的影响是绝对存在的,而且是有害的。其次,电抛光的溶液使用期较低,工艺参数变化大,每批弹簧都需要经过试验后才能确定,从经济上考虑也提高了成本。目前各 种牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应,基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧,想通过电抛光来削减其微量尺寸。以达到需要的特性,并不可取的.对化学抛光也存在同样的闯题。一160一关于截锥形弹簧的设计19舵年以后,我国出版的各种机械工程手册中介绍了等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算 方法,其中都提刭等螺旋升角截锥形弹簧所形成的螺旋线,在与弹簧中心线相垂直的支承面 上的投影是对数学I■线,即:R—RIem。m・IIl(R2-R1)/27r但是.在实际介绍这种弹簧的变形和应力计算以及其几何尺寸时,又将它和等节距截锥形弹簧混为一谈.这就给有精度要求的等螺旋升角截锥形弹簧的设计和制造带来困难.笔者因为工作需要.曾经推导过等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法网,也曾经查阅过国外有关等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法,其中前苏联嘲的计算公式是完全正确的、精确的.另外,等节距截锥形弹簧的设计计算公式也存在一些问愿.今后将在专门的文章里提出讨论.在藏锥形弹簧的设计计算这个问题上,对于‘机械设计手册>这部中田机械零件设计指 导性手册的正确性和糟确性,是否有些小小的遗憾.后语笔者提出的上述观点对于专门从事弹簧的技术人员来说,或许是徽不足道的.但是,‘机械设计手册>的对象是田内外广大从事机械工程设计和制造的科技工作者.‘机械设计手册> 是一本具有指导性、权威性和经典的文献,手册中的观点方法和公式等内容.都必须是严密 精确的,符合生产实际的.否则会给使用单位和使用人员带去困难和麻烦. 最后,我盈弹簧的设计与制造标准已涉及到许多种类的弹簧,但是截锥形弹簧的设计与 制造标准还是一个空白.截椎形弹簧在我国的航空、航天和汽车制造工业等都在应用.是否在适当的时机能制定一个截锥形弹簧的标准?参考文献fl】成大先生■,机械设计手册第3眷.化学工业出版社.20吆年1月.第11.149页 12】徐■主■,机■设计手册第4眷.机辕工业出I譬|社.19粥年8月.第30麓12页D1朱炎,簟锥形弹簧爱压处曩效果摄讨.全田材辩强度及残余应力学术会,19舛年 14】金t根主■.航空I舅造工程手羼—弹性元件工艺. 航空工业出版社.19舛年嘲朱炎.引导伞■簟形弹簧的计算方法,第二届全田航空安全救生学术讨论会,1984 嘲H・c・阿切尔康.机攮翻造者手册,机械工业出版社,l%5年一161.一对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义作者: 作者单位: 被引用次数: 朱炎 宏伟机械厂 1次本文读者也读过(10条) 1. 朱国忠 圆柱螺旋弹簧审核计算的程序设计[会议论文]-2004 2. 周长城.孟婕.ZHOU Chang-cheng.MENG Jie 调整垫片对油气弹簧开阀压力影响的研究[期刊论文]-机械设计与制造2008(1) 3. 周长城.顾亮.ZHOU Chang-cheng.GU Liang 矩形节流阀片可调油气弹簧旁通阀流量设计研究[期刊论文]-拖拉机与农用运输车2006,33(2) 4. 张继魁.张爱军.吴振凡.董伦.郭光荣 67CrVA弹簧钢在斯太尔发动机气门弹簧上的应用试验[期刊论文]-汽车技术2003(11) 5. M.T.TODINOV.姚俊 汽车悬架弹簧表面的残余应力[会议论文]-2004 6. 赵春伟.陈敏.张静亚 摩托车减震弹簧的断裂分析及预防[会议论文]-2006 7. 张成杰.张万学 小旋绕比大螺旋角圆柱螺旋压缩弹簧设计计算[会议论文]-2004 8. 张成杰.张万巨 弹簧热强压处理和弹簧的稳定性[会议论文]-2006 9. 赵春伟.梁泉.施建兰.杨阳.陈敏 摩托车减震弹簧的稳定性分析与预防[会议论文]-2010 10. 蔡艳辉.周长城 线性非均布压力下减振器环形阀片变形解析计算[期刊论文]-农业装备与车辆工程2009(10)本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6056003.aspx


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