弹簧的基本性能和设计要求

弹簧的基本性能和设计要求——低压电器十大工艺之一弹簧的基本性能和设计要求低压电器十大工艺冷冲压触头焊接塑料成型热处理弹簧制造电镀线圈绕制涂漆铁芯制造绝缘处理（浸漆）弹簧的基本性能和设计要求弹簧的基本性能是在载荷作用下产生变形，卸载时释放能量恢复原形，加载变形过程遵循一定的规律。弹簧在低压电器中的作用：A)保证动作力：如操作机构的作用力、触头压力、电磁系统的反作用力等；B)缓冲作用：由于电器上电磁铁的吸合、断开时有很大的冲击力，用弹簧制成缓冲机构，可以吸收动能，减少冲击。C)防止联结件松动：电器在工作中有振动，各联结部分需要用弹簧的弹力压紧，防止松动。弹簧的基本性能和设计要求弹簧的特性线载荷P(M)与变形F()之间的关系曲线称为弹簧的特性线。弹簧的特性线大致有三种类型：直线型、渐增型和渐减型。直线型——刚度不随载荷的变化而变化渐增型——刚度随载荷的增加而增大渐减型——刚度随载荷的增加而减小弹簧的基本性能和设计要求常用弹簧的分类（按形状和结构分）（1）圆柱螺旋弹簧（2）变径螺旋弹簧（3）蝶形弹簧（4）平面蜗卷弹簧（5）片弹簧常用弹簧的分类（1）圆柱螺旋弹簧这类弹簧多数由圆形截面材料制成，当同样空间条件下需要更大的刚度时，可选用矩形截面的材料。低压断路器中常用的圆柱型弹簧有以下三种：A)圆柱形螺旋压缩弹簧这种弹簧结构简单，制造方便，特性接近于直线型，刚度值较稳定。在低压断路器中常用作触头弹簧、螺旋管式电磁脱扣器的瞬时弹簧等。B)圆柱形螺旋拉伸弹簧性能和特点与压缩弹簧相同，主要承受拉伸载荷，其特性线是直线型，分无初应力和有初应力两种。在低压断路器中常用作机构主弹簧（一般有初应力）、拍合式电磁脱扣器的瞬时弹簧和机构的复位弹簧等（一般无初应力）。C)圆柱形螺旋扭转弹簧这种弹簧主要承受扭矩作用，特性线呈直线型。在低压断路器中常用作触头弹簧或机构及脱扣器的复位弹簧。常用弹簧的分类2）变径螺旋弹簧A)圆锥形螺旋弹簧这类弹簧的特点是稳定性好，结构紧凑，其特性线开始是直线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增型，有利于缓和冲击和共振，接触器弹簧的主弹簧常选用圆锥形弹簧。B)中凸和中凹形弹簧这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧，中凸形弹簧在某些场合可替代圆锥形弹簧使用，中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。常用弹簧的分类（3）蝶形弹簧加载与卸载特性不重合，在工作过程中有能量消耗，缓冲和减震能力强，蝶形弹簧常用于中、高压产品中。（4）平面蜗卷弹簧这类弹簧圈数多，变形角大，储存能量大，多用在仪器和钟表中。（5）片弹簧这类弹簧由薄片材料制成，结构形状繁多，主要用于仪表及低压元器件中，继电器中使用较多。常用弹簧的分类型式代号简图特点用途圆柱型螺旋压缩弹簧Y弹簧受轴向压缩负荷YⅠRYⅠ两端圈并紧、磨平广泛应用于冷卷及热卷弹簧RYⅡ两端圈并紧、不磨或磨平广泛应用于热卷弹簧YⅡ两端圈并紧不磨用于d＜0.5mm,且对支承要求不高的情况，应用于冷卷弹簧YⅢ两端圈不并紧一般用于不太重要的弹簧，应用于冷卷弹簧常用弹簧的分类型式代号简图特点用途圆柱型螺旋拉伸弹簧L弹簧受轴向拉伸负荷LⅠRLⅠ半圆钩环两端弯有钩环，钩环形式视装配要求而定，推荐采用半圆钩环、圆钩环和圆钩环压中心3种形式。钩环弯折处应力较大，易折断，半钩环体积较小，多用于拉力不太大的情况。LⅡRLⅡ圆钩环LⅢRLⅢ圆钩环压中心LⅣ偏心圆钩环LⅤ长臂半圆钩环常用弹簧的分类型式代号简图特点用途圆柱型螺旋扭转弹簧N弹簧受扭转负荷NⅠ内臂扭转弹簧扭转弹簧型式繁多，端部结构视装配要求而定，推荐采用外臂、内臂及直臂扭转弹簧，均应用于冷卷弹簧NⅡ外臂扭转弹簧NⅢ中心臂扭转弹簧NⅣ双扭簧NⅤ直臂扭转弹簧NⅥ单臂弯曲扭转弹簧弹簧的基本参数弹簧的基本参数1）弹簧的直径（中径）2）弹簧的旋绕比3）弹簧的圈数4）弹簧的螺旋角和节距5）弹簧的高度（长度）6）弹簧的刚度7）弹簧的端部结构弹簧的基本参数Ddt22Ddtdt222.08.0弹簧的直径（中径）弹簧的中径D是弹簧的公称尺寸，也是各参数的计算依据，为了保证弹簧工作时有足够的空间，设计时应考虑弹簧受载荷时簧圈直径的变化。对压缩弹簧来说，受载时簧圈直径会增大，增大值的近似计算如下：当弹簧两端固定，从自由高度压到并紧时，直径的增大值△D为：△D＝0.05(t－弹簧的节距）当两端面与支承座间可以自由回转，摩擦力比较小时，直径的增大值△D为：△D＝0.1弹簧的基本参数扭转弹簧在受载后直径将变小、圈数增加，直径变小的程度取决于弹簧原有圈数及工作时扭转角的大小。变化后的内径D1’计算如下：D1’＝D1－＝D1为了避免弹簧与心轴发生抱紧现象，扭转弹簧的心轴必须比最大工作扭矩作用下的弹簧内径小10％。nn360nD21弹簧的基本参数弹簧的旋绕比C弹簧中径D与材料直径d之比称作弹簧的旋绕比，或弹簧指数。旋绕比越小，曲率越大，绕制越困难，弹簧刚度也越大。由于工作时弹簧材料内侧切应力比平均切应力大很多，导致其工作区间变小。旋绕比大时，弹簧绕制较容易，性能也较稳定。弹簧的圈数弹簧的有效圈数n是指直接参加弹性变形的圈数。为了避免由于载荷偏心引起过大的附加力，工作圈数最少为两圈，一般应不少于3圈。压缩弹簧支承圈的圈数n2取决于端部结构型式。总圈数等于有效圈数与支承圈数之和。弹簧的基本参数弹簧的螺旋角和节距压缩弹簧的螺旋角一般取5°～10°，如螺旋角大于10°时，则计算弹簧变形应考虑螺旋角的影响，螺旋角＝arctg。相邻两簧圈中心沿弹簧轴线之间的距离称为弹簧的节距t，对于正常节距的压缩弹簧，要求被压缩到整个变形区的80％时，弹簧圈间不应接触。拉伸弹簧的节距t≈d，因而螺旋角很小，可忽略不计。扭转弹簧的节距t=d+（系弹簧圈间间隙），扭转弹簧的节距一般比较小，因而其螺旋角也比较小。Dt弹簧的基本参数弹簧的高度（长度）压缩弹簧的自由高度H0是指弹簧在不受外力时弹簧的高度，压并高度Hb是指压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。拉伸弹簧的自由长度H0是指两端钩环内侧的距离。端部为半园钩环时H0＝(n+1)d+D1端部为园钩环时H0＝(n+1)d+2D1弹簧的基本参数弹簧的刚度对压缩弹簧和拉伸弹簧，弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形所用的载荷，即：P’=P/F=其中P’——压缩和拉伸弹簧刚度（N/mm）P——弹簧所受负荷（N）F——弹簧的变形量（mm）G——弹簧材料切变模量（N/mm）d——弹簧材料直径（mm）n——弹簧的有效圈数D——弹簧中径（mm）348nDGd弹簧的基本参数扭转弹簧的刚度M’指产生单位变形角所需的扭矩，M’=M/=其中M’——扭转弹簧的刚度（Nmm/1°）M——扭转弹簧的扭矩（Nmm）——扭转弹簧的扭转角E——弹簧材料的弹性模量（N/mm）DnEd36704弹簧的基本参数弹簧的端部结构压缩弹簧的端部结构常用的有两端圈并紧并磨平、两端圈并紧不磨平和两端圈不并紧三种，两端圈不磨平的结构稳定性差，一般用于要求不高，承受静载荷或旋绕比较大的弹簧。当旋绕比在3～10之间时，弹簧端面应磨平以提高垂直度及稳定性；旋绕比在10～15之间时，端部可磨平，也可不磨平；旋绕比大于15时，端面一般不需磨平。弹簧的基本参数压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系端部型式总圈数n1自由高度H0压并高度Hb端部不并紧不磨平nnt+d(n+1)d端部不并紧、磨平1/4圈n+0.5nt(n+1)d端部并紧不磨平，支承圈为1圈n+2nt+3d(n+3)d弹簧的基本参数压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系端部型式总圈数n1自由高度H0压并高度Hb端部不并紧、磨平，支承圈为3/4圈n+1.5nt+d(n+1)d端部并紧、磨平，支承圈为1圈n+2nt+1.5d(n+1.5)d端部并紧、磨平，支承圈为1+1/4圈n+2.5nt+2d(n+2)d弹簧的基本性能和设计要求低压断路器常用弹簧的设计计算弹簧材料的许用应力[]及[]应按负荷性质确定。弹簧按负荷性质分为三类：Ⅰ类：受变负荷作用，次数在106次以上的弹簧；Ⅱ类：受变负荷作用，次数在103～105次或冲击负荷的弹簧；Ⅲ类：受变负荷作用，次数在103次以下的弹簧。碳素弹簧钢丝的级别：B级：用于低应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～13.00mmC级：用于中等应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～13.00mmD级：用于高应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～6.00mmPBP常用弹簧的设计计算低压断路器常用弹簧材料及主要性能性能类别碳素弹簧钢丝B、C、D级不锈钢丝1Cr18Ni9许用切应力[τp]MpaⅠ类0.3324Ⅱ类0.4432Ⅲ类0.5540许用弯曲应力[]MpaⅡ类0.5540Ⅲ类0.625677剪切弹性模量GGpa0.5≤d≤481.5～78.571.5d＞478.5弹性模量EGpa0.5≤d≤4204～202193d＞4197推荐使用温度℃－40～120-250～300特性及用途强度高、加工性能好，淬透性差，适用于做小弹簧，或要求不高的大弹簧耐腐蚀、耐高低温，有良好的工艺性,不能用淬火的方法硬化。适合做小弹簧。BPbbbbb常用弹簧的设计计算圆柱螺旋压缩弹簧A)已知弹簧参数：钢丝直径、有效圈数、弹簧中径求弹簧刚度和弹簧力（工作负荷）弹簧刚度P’=(N/mm)G——剪切弹性模量（Gpa）d——钢丝直径(mm)D——弹簧中径(mm)n——有效圈数弹簧力P=P’×h(N)h——工作行程(mm)nDGd348常用弹簧的设计计算B)按所需弹簧力（工作负荷）和使用场合确定弹簧参数最大工作负荷P给定或由下式计算：P=[τp]Ⅲ（N）(Ⅲ类弹簧)P=[τp]Ⅱ（N）(Ⅱ类弹簧)P=[τp]Ⅰ（N）(Ⅰ类弹簧)[τp]——许用切应力（Mpa）K——曲度系数查表或按下式计算：K=+KDd83KDd83KDd834414CCC615.0常用弹簧的设计计算C——旋绕比查表或按下式计算：C=D——弹簧中径（mm）D=D－dD——弹簧外径(mm)弹簧直径dd=1.6(mm)有效圈数nn=总圈数n12dD2][pKCPn348DPGdFnn常用弹簧的设计计算工作极限载荷PjPj=τj（Mpa）（τj——极限剪切应力）Ⅲ类:τj≤1.12[τp]ⅢⅡ类:τj≤1.25[τp]ⅡⅠ类:τj≤1.67[τp]Ⅰ最大工作载荷下的变形Fn给定或按下式计算：Fn=(mm)KDd83'PPn常用弹簧的设计计算圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧分有初应力和无初应力两种。采用具有初应力的拉伸弹簧主要是为了减小弹簧的重量和工作尺寸。这种弹簧的特点是具有一段假象的变形量X，即在自由状态下具有一定的初拉力，当承受载荷时，首先要克服相当于假象变形量X的初拉力,弹簧才开始伸长，即在同样的拉力下，弹簧实际变形尺寸较小。外形尺寸相同的拉伸弹簧，在有无初应力的情况下，刚度相同。拉伸弹簧的初应力取决于材料、材料直径、弹簧指数和加工方法。用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧当圈与圈之间相互接触均有一定的初应力，如不需要初应力时，各圈间应有间隙，经淬火的弹簧，没有初应力。对应于初应力的拉伸负荷，即为初拉力。00常用弹簧的设计计算A)已知弹簧参数：钢丝直径、圈数、弹簧中径，求弹簧刚度和弹簧力无初拉力的拉伸弹簧计算方法与压缩弹簧相同。有初拉力的拉伸弹簧计算方法如下；弹簧刚度P’＝(N/mm)初拉力＝（N）G——剪切弹性模量（Gpa）d——钢丝直径(mm)D——弹簧中径(mm)n——有效圈数——材料初应力（Mpa）K——弹簧曲度系数弹簧力P＝P’×h＋(N)h——工作行程(mm)nDGd348038KDd00P常用弹簧的设计计算B)按所需弹簧力和使用场合确定弹簧参数无初拉力的圆柱螺旋拉伸弹簧，其最大工作负荷、曲度系数K、弹簧直径d、工作极限载荷、最大工作载荷下的变形等的计算方法与压缩弹簧相同。拉伸弹簧的有效圈数与钩环的的配置关系：◆当有效圈数的尾圈为半圈数时，两端的钩环在一个平面内，钩口方向相反；◆当有效圈数的尾圈为整圈数时，两端的钩环在一个平面内，钩口方向相对；◆当有效圈数的尾圈为1/4圈和3/4圈