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弹簧设计的发展


目前,广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的。若无一定的实际经验,很难设计和制造出高精度的弹簧,随着设计应力的提高,以往的很多经验不再适用。例如,弹簧的设计应力提高后,螺旋角加大,会使弹簧的疲劳源由簧圈的内侧转移到外侧。为此,必须采用弹簧精密的解析技术,当前应用较广的方法是有限元法(FEM)。
  车辆悬架弹簧的特征是除足够的疲劳寿命外,其永久变形要小,即抗松弛性能要在规定的范围内,否则由于弹簧的不同变形,将发生车身重心偏移。同时,要考虑环境腐蚀对其疲劳寿命的影响。随着车辆保养期的增大,对永久变形和疲劳寿命都提出了更严格的要求,为此必须采用高精度的设计方法。有限元法可以详细预测弹簧应力疲劳寿命和永久变形的影响,能准确反映材料对弹簧疲劳寿命和永久变形的关系。
  近年来,弹簧的有限元设计方法已进入了实用化阶段,出现了不少有实用价值的报告,如螺旋角对弹簧应力的影响;用有限元法计算的应力和疲劳寿命的关系等。
  图1-8所示为用现行设计方法计算和有限元法解析应力的比较。对相同结构的弹簧,在相同载荷作用下,从图中可以看出,有效圈少的或螺旋角大的高应力弹簧的应力,两种方法得出的结果差别比较大。这是因为随着螺旋角的增大,加大载荷偏心,使弹簧外径或横向变形较大,因而应力比较大。用现行的设计计算方法不能确切地反映,而有限元法则能较为确切地反应出来。
  弹簧有限元分析方法,在弹簧技术水平较高的国家虽已进入实用化,我国虽有这方面的技术开发,但尚未形成实用模型。
  另外,在弹簧的设计进程中还引进了优化设计。弹簧的结构较为简单,功能单纯,影响结构和性能的参变量少,所以设计者很早就运用解析法、图解法或图解分析法寻求最优设计方案,并取得了一定成效。随着计算技术的发展,利用计算机进行非线性规划的优化设计取得了成效(见第10章11节)。
  可靠性设计是为了保证所设计的产品的可靠性而采用的一系列分析与设计技术,它的功能是在预测和预防产品可能发生故障的基础上,使所设计的产品达到规定的可靠性目标值,是传统设计方法的一种补充和完善。弹簧设计在利用可靠性技术方面取得了一定的进展(见第10章12节),但要进一步完善,需要数据的开发和积累。
  随着计算机技术的发展,在国内外编制出各种版本的弹簧设计程序,为弹簧技术人员提供了开发创新的便利条件。应用设计程序完成了设计难度较大的弧形离合器弹簧和鼓形悬架弹簧的开发等。
  随着弹簧应用技术的开发,也给设计者提出了很多需要注意和解决的新问题。如材料、强压和喷丸处理对疲劳性能和松弛性能的影响,设计时难以确切计算,要靠实验数据来定。又如按现行设计公式求出的圈数,制成的弹簧刚度均比设计刚度值小,需要减小有效圈数,方可达到设计要求。当前大批量生产产品的设计趋势,以最大工作切应力和疲劳寿命要求为例,列于表1-5。
  表1-5   当前大批量生产弹簧的设计趋势
  产品类型    最大工作切应力    相关重要要求
  一般机械结构弹簧    静载900~1200MPa
  动载900~1000MPa    开始拥有疲劳寿命要求
  螺旋扭转簧    900~1000MPa
  发动机气门弹簧
  油汞油嘴弹簧    950~1200MPa
  (一般1100 MPa)    疲劳寿命要求2.3× ,可靠度﹥90%
  汽车变速箱、离合器弹簧    1100~1200MPa
  (一般1100 MPa)    有松弛要求,疲劳寿命要求(3~10)× 次
  卡车驻动器弹簧    静载1100~1200MPa    有松弛要求
  悬架弹簧
  1100~1200MPa    腐蚀疲劳寿命要求
  (3~5)× 次
  新高速机车悬架弹簧    1000~1200MPa







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