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恒力弹簧工作原理

2018/12/07



 恒力弹簧是一种圆截面柱状螺旋弹簧,工作力基本不变。该弹簧寿命长,工作性能可靠,互换性好,在许多行业已广泛应用。

工作原理与工作力计算


 

1所示的恒力弹簧,在自由状态呈密绕圈形,其外端固定(铆接)在一工作端上 。 向右拉开弹簧圈工作时,在 C部产生一个与拉开方向相反的工作力,A部分起支持作用,处于张力状态。 B部分为自由状态向张力状态过渡的变形区,产生连续压力 。

 

由图2可知,因密绕圈的原始曲率基本相同,变形所产生的恢复力,即弹簧压力亦基本保持恒定。

 

 在计算 B部分变形时的恢复力时,若将它视为简支梁或直接利用发条力矩计算,结果比实测力小几倍。 从恒力弹黄的结构分析,厚度 h与直径 D之比(应变)都大于0.01,若弹性模量 E=18500(kgf2) ,则;o=eE= 185(kgf/ mm2)。此值已超过材料的屈服极限。有的弹簧的 o基至达300kgf2 ,尚能正常工作,而不发生塑变(即松圈现象),这种现象的原因何在。当弹簧在拉开状态时,可以明显见到,A部分横截面并不是矩形,而是弧形(见图3) 。

 

这是高强度金属薄片材料当宽度比相当大时的一种普遍现象,与弹黄热处理过程中边象与中心部加热和冷却条件差异有关 。若专门用这种截面材料制成发条,可以发现其输出力矩有一个特殊跳跃值,即当发条由弧形裁面直条向弯曲的平截面变形时,在开始阶段表现出一个极大的力矩,然后陡降到平稳力矩(见图4)。

 

 这个跳跃力矩的计算公式是:

 

 式中  b、h一弹簧片的宽度、厚度(mm)H一弧形高(mm)µ一波松比E一弹性模量(kgf2)恒力弹簧在拉开时,与上述过程正相反,是一个从平截面向弧形截面的变形过程,并在变形临近完成时一定要出现一个相当大的临界力 。 因为弹簧圈工作部分要连续经过这一区域,这个临界力就成为弹簧的连续工作力,也正是恒力弹簧显示出惊人工作力之原因 。 在这种复杂变形中,h/D并不是准确的ε。这正是 ε很大,但不发生塑变的缘由 。由于上述复杂变形,通过能量来求得工作力是比较客观的 。 若弹簧工作部分长度为 s,力矩为 M,由材料力学得知:M=EJ/R。,则弹性势能为:

 

 式中  E一弹性模量(kgf2)J一截面惯性矩Rn一弹簧圈自由状态下的半径(mm)为简化推导,可以认为工作力 P基本不变。 当变形为 ds 时,根据卡斯帝里亚诺定理,外力做功与势能增量相等,则:

 

式中:P-弹簧力(kgf)

 

     b,h-弹簧的宽度、厚度

 

     -弹簧自由状态下的曲率

 

     实际中弹簧并不是由Rn开始变形的,而是受内圈限制从一个胀大了的(见图1)开始的。此时,弹簧已损失的力为:

 

 于是弹簧输出力应是:

 

这就是恒力弹簧工作力的理论计算公式 

 

弹簧圈在拉长过程中 R。逐渐减小 。同时因为原始形状是外圈直径小于内圈(反卷) ,故 Rn越拉越大,工作力 P不断变化,随弹簧拉长而减小。在恒压区内,即在拉长3倍弹簧圈外径范围内,工作力变化不超过6%。 按上式计算实体弹簧 ,可以发现标准的规定显得过分宽松 。 对实物测力亦显出同样结果。

 

考虑到弹簧在工作中或在测力中都存在摩擦或形状尺寸变异,实际设计计算最适用的经验公式应为:

 

 中  D一弹簧外圈直径(mm)K一系数系数 K一般地随材料厚度(0.3-0.8mm)相应地取2700-3500kgf2。在限制安装尺寸又要求保证压力的结构设计中, 有时采用两个弹簧卷在一起的双层弹簧。 但由于实际外径已经胀大,其工作力则低于单个弹簧的2倍 。弹簧材料        使用环境和功能决定恒力弹簧材料须选用耐腐蚀、高弹性材料,我国一般用3J9或3Cr15N‘Mo,也有用3J21 ,3J22等高合金材料,但成本高,不可能大量使用。恒力弹簧应能在140℃环境中正常工作。通过某些单位的大量实验表明,3J9材料 恒力弹簧完全可以达到标准要求。        但是,在某些汽轮发电机组等温度超过 160℃的环境中,,3J9等低合金材料经过短期工作后,即发生再时效,弹簧的A部分和B部分都失去恢复能力。实验结果表明:选用 3J9材料制成的弹簧在低于 140℃环境中工作力下降甚小。而在170℃环境中,经过12小时后,其工作力下降达10% ,当温度上升到200℃时, 压力下降20% ,弹簧完全不能工作。        国外普遍使用17-7PH钢制造恒力弹簧,长期工作温度可达210℃。我国有的企业也已制成类似材料的弹資簧,成本低廉。制造及检验中的几个问題        使用不同材料制造弹簧,其工艺不同。国内现在采用的多是奥氏体合金,经过冷压力加工和时效达到强化和定型的 。 这里只说明几个问题 。        1.严格控制成晶带材的厚度         由前述工作力计算公式可以判定:厚度对弹簧的工作力数值有决定性意义。减小带材厚度公差乃是弹簧制造过程中的重要同题。 规定的基本尺寸系列中,最大工作压力2kgf,最小工作压力0.2kgf,压力公差为±7 % ,这就要求成品带材厚度偏差必须控制在 0.01-0. 02mm。小尺寸弹簧带材在高精度轧机上轧成,并经仔细测量和选择。实际小尺寸弹簧在商业性生产中难以达到要求,可采用逐个挑选或利用改变弹簧直径来调整工作压力予以保证。        2.力求提高带材弹性极限        象一般弹性元件一样,若材料弹性极限低,则弹簧经过一次或几次拉开后,发现工作力下降,松圈。 表明发生塑性变形 。这就是 工作力衰减问题。 发生衰减原因的表达式为:

 

恒力弹簧的应变ε并不等于厚度 h与外圈直径D之比,可以取:

 

 h下降,ε降低。对于一种尺寸和工作力已定的弹簧,单纯减小厚度是不行的,只能通过提高使 h减小。提高是避免塑性变形的关键,因为的提高使塑性变形减小,使工作力呈上升趋势。减小厚度的结果是ε的降低,使变形的可能性更加缩小 。带材减薄的另一好处是减小弹簧各圈半径尺寸差,即 Ro变化缩小, 恒力区工作力更趋稳定,但此效应很弱 。        对于奥氏体合金来说,提高弹性极限的手段主要是充分固溶及提高冷作硬化程度,并施行最佳时效强化,冷加工减面率一般超过94%。成品带材之σb为175-185kgf,而时效后σb达到200kgf。        3.力检验        恒力弹簧的力学试验项目有3项,所定义的公称力,恒力区力偏差和力衰减。公称力値差是对同批(在使用中是同组)弹簧力一致性的限定,生产者和使用者都应将它作为验收试验项目 。其余2项试验是对生产工艺水平的考核,弹簧尺寸和形状决定恒力区力偏差,由前述可知,一般不会超差,弹簧设计与工艺决定力衰减大小。在工艺稳定条件下,力衰减不存在问題,所以这两个项目只能作为例行试验项目 。         在做力试验时,应尽可能模拟弹簧使用状态减小摩擦力和其它分散力。值得一提的是,在测力时,一定要保持弹簧的A部分始终背靠在一个刚性平面上,選免 RH扩大,因为 RH扩大将导致力大大降低。