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            彈簧的設計和采購注意事項

            2022-01-07

            彈簧無處不在,從珠寶扣到大型工業機器人。剛畢業的機械工程師在畢業的第一年內遇到他或她的第一個彈簧設計問題的概率不是100%,但相當高。


            大多數情況下,在原型階段直接制作定制彈簧是不現實的。我們推薦一種方法,從需求收集開始,找到最接近的庫存彈簧,最后在生產中創建定制彈簧。請繼續閱讀此方法每個階段的注意事項。


            負載條件


            識別負載條件是每個彈簧應用問題的起點。有四個主要考慮因素。


            1. 載荷類型:是壓縮、拉伸還是扭轉?


            所有彈簧,無論是盤繞的還是扁平的,都以以下三種方式之一工作。但是,對于應該使用哪種類型,有一些靈活性。我們已經看到壓縮彈簧和拉伸彈簧在扭力彈簧可能是更明顯選擇的情況下工作。例如,X-box控制器在觸發按鈕中使用扭力彈簧進行回彈,但最新的任天堂開關操縱手柄使用兩個壓縮彈簧代替。


            2. 最大撓度(行程)


            知道最大撓度會在幾何上縮小彈簧選擇的范圍。


            在壓縮彈簧中,最大撓度必須小于彈簧自由長度(未壓縮)與其實體長度(完全壓縮)之間的差值。必須預加載彈簧,使其初始位置短于自由長度。


            延長彈簧的額定工作長度為最大工作長度,超過該長度后,彈簧有永久變形的風險。最大行程必須小于延伸彈簧的實心長度(未延伸)與其最大安全工作長度之間的差值。必須預加載彈簧,以便安裝時彈簧比其實心長度長。


            3. 最大負載,或所需負載


            有時,我們會被賦予彈簧必須承受的載荷,而不會被完全壓縮或延伸到不安全的長度,例如為蹦床選擇彈簧。


            其他時候,我們會根據用戶的感覺來選擇彈簧,比如為夾子選擇一個扭轉彈簧。了解負載或響應有助于我們確定彈簧速率。


            4. 所需的負載:恒定速率、恒定力還是可變速率?


            這決定了我們將使用哪種類型的彈簧:恒定直徑的圓柱形螺旋拉伸彈簧與時鐘彈簧。


            材料考慮


            為您的彈簧選擇材料取決于負載條件和操作環境。


            在螺旋彈簧中,我們最關心的是材料的剛度模量或剪切模量(G),而在平板彈簧中,彈性模量或楊氏模量(E)更重要。這些屬性會影響彈簧速率。


            高循環頻率應用要求材料具有良好的抗疲勞性,如音樂線。當負載為間歇性負載時,可接受成本較低的選項,如硬拉鋼絲。


            工作環境對彈簧材料的選擇有很大影響。環境的溫度、濕度和腐蝕性會限制材料的選擇。正如預期的那樣,304和17-4PH等不銹鋼絲具有很強的耐腐蝕性,但冷拔鋼絲則沒有。然而,表面處理也可以提高耐腐蝕性,這可能比在較大尺寸的彈簧中使用成本較高的材料更經濟。


            每種金屬都有一個最高工作溫度額定值。大多數鋼絲不能在高于300°F的溫度下使用,這就是諸如鉻鎳鐵合金等外來金屬的來源。


            我們發現在電氣應用中有相當數量的彈簧觸點。鈹銅由于其優異的導電性,往往用于這些應用中。然而,它們并不意味著要循環加載。


            安裝要求


            每種類型的彈簧,無論是拉伸、壓縮、扭轉還是其他,都可以在各種端部條件下使用。


            壓縮彈簧有四種基本類型的端部。開放、不接地端的成本最低,但接地端的穩定性更好。


            拉伸彈簧的兩端往往都有鉤子或孔眼,但鉤子也可以由不同的材料制成并連接。全環、半環和末端鉤過中心樣式是最常見的現成末端條件。


            扭轉彈簧的端部條件基于支腿的長度和它們之間的角度。以下是基本類型的圖示。


            庫存彈簧只是最流行的配置,但如果與彈簧配合的零件是定制的,那么您仍然有很大的靈活性。彈簧供應商可以輕松地批量提供定制的最終條件。


            為原型設計選擇彈簧


            通??梢园磶缀螆D形、荷載條件和材質進行搜索。我喜歡先按最大撓度和最大載荷進行過濾,因為它們不太容易協商。


            從原型到生產


            彈簧制造很像CNC銑削或CNC車削。對于螺旋螺旋彈簧的生產,彈簧供應商需要滿足幾何要求,如鋼絲直徑、平均線圈直徑、線圈數量和端部條件,將所有這些轉化為CNC線成形機的程序,然后對彈簧進行盤繞和熱處理。大多數彈簧供應商也可以根據關鍵要求設計彈簧。


            與其他類型的CNC加工類似,設置成本高,而單位生產成本低;這就是為什么經濟訂單數量從幾百個單位開始。


            因此,在原型設計過程中,工程師通常會選擇與其需求緊密匹配的庫存彈簧,然后對定制設計進行微調,以實現大規模生產。這樣,您就可以精確地獲得所需的端部條件、彈簧剛度和公差。


            必須注意鋼絲直徑與平均線圈直徑的比率。該比率d/D稱為“彈簧指數”。彈簧指數越小,制造彈簧就越困難,單位成本也會相應增加。彈簧指數在5到10之間,是一個簡單、經濟的彈簧。


            主要要點


            當您的設計需要彈簧時,首先確定載荷條件。在原型設計中,最好從現成的彈簧開始。使用“最大撓度”和“最大載荷”作為起點來過濾庫存彈簧目錄中的彈簧,然后使用“彈簧速率”或其他幾何約束縮小選擇范圍。當您準備投入生產時,請與彈簧供應商合作,根據您的具體規格對設計進行微調。

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