浅谈气动产品中弹簧的设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 1期 浅谈气动产品中 弹簧的设计 王 正 祥 济南杰菲特气动有限公司， 山东济南2 5 0 1 0 1 摘要 着重介绍气动产 品中弹簧的设计过程和方法 。 通过实例分析 ， 指 出设计气动产品中的了解该产品工作原理 、 性能要求和技术指 标 ， 熟练掌握 弹簧设计基本理论 、 设计要点 和计算方法 ． 在此基础上对 弹簧施力的零 件进行受力分析 ． 计算 出弹簧 的主要参数 。同时还 要 能够正确选用弹簧材料 ， 了解弹簧加工 、 热处理 、 强化处理 、 表面处理及检测和试验等知识 ， 掌握与设 计相关 的技术标准 。这样 ， 才能 设计 出符合产品性能要求和技术指标 的弹簧 。 关键词 受力分析 ； 参数选择 ； 设计计算 中图分类号 T Hl 3 8 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 叭一 0 0 3 4 0 5 Brie f Ta l k o n S p rin g De s i g n o f Pn e u ma t i c Pr o d u c WANG Z h e n g - x i a n g J i n a n J P C P n e u m a t i c s C o ． L t d ． ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e e mp h a s i z e s o n i n t r o d u c i n g p r o c e s s a n d me t h o d o f s p r i n g d e s i g n of p n e u ma t i c p r o d u c t s ． T h r o u g h i n s t a n c e a n a l y s i s ， t h e a r t i c l e p o i n t s o u t t h a t ， we mu s t fi mfl y u n d e r s t a n d t h e p ri n c i p l e o f wo r k ， p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s ， a n d t e c h n i c a l t a r g e t s o f p n e u ma t i c p r o d u c t ； s e c o n d l y ， g r a s p t h e t h e o r i e s ， e s s e n t i a l s a n d c o mp u t a t i o n a l me t h o d s o f s p ri n g d e s i g n ； t h i r d l y p e rf o r m f o r c e a n a l y s i s o n s p ri n g p a r t s t o c a l c u l a t e t h e m a j o r p a r a me t e r s ． B e s i d e s t h e a b o v e ， w e s h o u l d b e a b l e t o c h o o s e s u i t a b l e s p ri n g ma t e r i a l ； u n d e rst a n d k n o wl e d g e o n s p n n g p r o c e s s i n g ， h e a t t r e a t me n t ， h a r d e n i n g ， s u r f a c e t r e a t me n t ， i n s p e c t i o n a n d t e s t ； ma s t e r d e s i g n- r e l a t e d t e c h n i c a l s t a n d a r d s ． I n t h i s wa y ， w e w i l l b e ab l e t o d e s i g n q u a l i fi e d s p ri n g ， wh i c h me e t s p e rf o rm a n c e r e q u i r e me n t s a n d t e c h n i c al t a r g e t s ． Ke y W o r d s f o r c e a n a l y s i s ；p a r a me t e r s e l e c t i o n ； d e s i g n c a l c u l a t i o n 0 引言 弹簧在气动产品中得到广泛应用。有的用于零件 复位 ． 例如弹簧复位的单 电控换向阀的阀杆复位弹簧、 手动换向阀的密封弹簧及阀杆复位弹簧 、电磁先导 阀 中的动铁芯复位弹簧 、 单作用气缸 的活塞复位弹簧 、 单 向阀的阀芯关 闭复位弹簧以及三位换向阀的中位复位 弹簧等。有的用于压力控制 ，例如减压 阀中的调压弹 簧、 安全阀及顺序阀中的压力控制弹簧等。还有的应用 在其他方面 ．例如制动气缸控制活塞杆在运行 中停止 的制动弹簧等 ， 它们都属于圆柱螺旋压缩弹簧 。圆柱螺 旋压缩弹簧特性线为一条直线 ，其特点是载荷与对应 的变形量成正比， 因此被称为常刚度弹簧。下面通过两 个典型实例 ， 介绍设计方法及步骤。 收稿日期 2 0 1 0 0 6 2 4 作者简介 王正祥 1 9 5 3 一 ， 男 ， 工程师 ， 长期从事流体传动 与控制 方面的 研究 和设计工作。 34 1 复位功能的弹簧 1 ． 1 进行受力分析并确定弹簧预压缩力 图 1 是一种手动按钮阀结构图 ， 主要技术指标 工 作压力范围 0 ． 2 ～ 0 ． 8 MP a ， 泄漏量 ≤5 0 m l ／ mi n ， 操作力 ≤ 3 0 N， 耐久性能 手动次数 92 0 0万次。结构为常闭和 常通两用型 ， 括号外符号表示常闭接 口， 括号 内表示常 通接口。图 2是密封活塞常闭式受力分析图， 图 3是常 通式受力分析图。常闭式工作原理是 当 P口输入气压 时 ． 密封活塞在弹簧力和气体背压作用下 ， 紧压在阀体 密封 口处实现密封 ，腔内形成密 闭的气室 ， P A断 O A 通。用手按下阀杆时， 密封活塞被阀杆顶开向下移动实 现换 向， P A通 。 O A断。阀常通式工作原理是 当 P口输 入气压时。 压缩空气从 A 口输 出。 密封活塞在弹簧力作 用下 ， 紧压在阀体密封 口处实现密封 ， 压缩空气不从 0 口流出。用手按下阀杆实现换向， P A断， O A通。 兰 兰 塞上的力有气压作用力 和 ， 还有弹簧力 和 。 由图 2标注尺寸可知 ， 处 圆环状受力面积大于 处 圆环面积。 相同压力下 ， 。 两个力方 向相反 ， 压向密 封面力的值是 一 ， 这个力称为背压 。阀处于常闭时， 密封活塞始终存在背压 ， 背压增加密封可靠性 。 常通式受力分析如 图 3所示 。当 P口通有工作压 力 P时 ， 密封活塞上只有 和 。这时没有背压力存 在 ， 活塞上密封作用力 只有 一 应 。常闭式 比常通式密封时多一个背压力 ，所以密封性能常闭式 好于常通式。只要保证常通式密封性能 ， 常闭式肯定没 问题 。 1 ． 1 ． 3校核 密封 性 能 活塞与阀体密封接触面上保证密封性能所必须的 条件 是 q m 0． 09 2 故 F y 9 2 5 N， 适合。 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 1期 2 弹簧设计。 用基本公式法计算 。已知 F y 9 2 5 N， 实验弹簧在预 压 缩后再 压缩 2 ． 5 m m 活塞杆 可松 开 ， h 2 ． 5 ra m。初 选钢 丝直 径 d 6 m m, f 4 0 N ／ m m，预 压缩 量 h 9 2 5 ／ 4 0 2 3 m m， h h l 2 ． 5 2 3 2 5 m m，根据使用环境 弹簧材料选 6 5 Mn 。初选 D 4 4 mm，按 6 5 Mn受变载荷作用次数在 l 0 次以上的 I 类载荷 ， 查表 【 ] 3 4 0 M P a ， G 7 8 8 0 0 MP a ， 计算 F 2 4 0 2 3 2 ． 5 1 0 2 0N， C4 4 ／ 6 7 ． 3 3， KI ． 2 0 5。 由公 式 1 d ≥1 ． 6 mm， 代 入 计 算 d ≥1 ． 6 r 1 ．2 0 51 02 0 x7 ． 3 3 8． 2 3 6mm 。 与初选 弹簧钢 丝直径 d 46 mm不相符 ， 需重选 d 。 再选 弹簧钢 丝直径 d 8 ram,f 5 0 N ／ mm， D 2 5 2 ， C 5 2 ／ 8 6 ． 5 ，查 得 K I ． 2 3 ， h i 9 2 5 ／ 5 0 1 8 ． 5 mm， F 2 5 0 x 1 8 ． 5 2 ． 5 1 0 5 0 N。 代入计算 d ≥1 ．6 ／ 1 “2 3 x 1 0 5 0 x 6 “5 3 4 0 一 7 ． 9 5 mm， 选 d 8 ram合适 。 由公式 3 n旦 一 5 7 4圈 ，圆整 n 6圈。 一8 f c 38 x5 0 x6 ． 5 3 -- J． ’ 噩 一 。 由公式 2 ‘ 祟 4 7 ．8 N ／m md 8 f c 8 x 6 x 6 5 。 3 ． 3⋯ 。 由于_ 厂 实际为 4 7 ． 8 N ／ m m， F y 4 7 ． 8 x 1 9 ． 5 9 3 2 N， 大于 初 选 F y 9 2 5 N。 F z 4 7 ． 8 x 1 9 ． 5 2 ． 5 1 0 5 2 N 查表 得 1 ． 2 H 1 ． 2 5 x 3 4 0 4 2 5 MP a 。 由公式 4 ≥ 淼 3 ．1 4 x 4 2 5 x丽8 z 4 ．6 6 m m ， 选 6 ． 5 ram 。 由 ￡ d C o 得 至 0 t d C o 8 6 ． 5 1 4 ． 5 ra m 由 6 式得 到 H o n t 1 ． 5 d 6 1 4 ． 5 1 ． 5 x O ． 8 9 9 mm 由 5 式得到 a r c s i n a r c ～ 1 4 ． 5 5 ．0 7 ， 符 合 5 。 9 。 之间。 由 7 怒 1 3 3 6 N 验算 ≤0 ． 8 ， 1 0 5 2 0 ． 2 1 3 3 6 ， 合适。 1 验算变形量。 弹簧并紧时的全变形量 3 b H o - Hb 9 9 一 8 0 ． 5 x 8 3 9ram ； 极限载荷作用下的变形量 6 - _ n C 0 6 4 ． 1 7 2 5 mm ； ，故适合。 2 稳定性校核 。 采用两端 回转支撑 ， 其高径 比 6 9 9 ／ 5 2 1 ． 9 ， 查 上， 2 表 b 2 ． 6 ， 满足稳定性要求 。 根据制造精度 ， 查尺寸公差及形位公差表 ， 绘制弹 簧工作图 见 图 7 。 Fj 1 3 3 6 N 图 7弹簧 工 作 图 3 总结 在气动产品中弹簧至关重要。熟读 、 看懂各种高校 教材及弹簧设计手册 ， 从多方面了解弹簧。同时， 具备 产 品设计经验 ， 了解 工作原理 、 性能要求和技术指标 ， 掌握弹簧设计基本理论 、 设计要点及计算方法 ， 正确选 用弹簧材料 ， 了解弹簧加工 、 热处理 、 强化处理 、 表面处 理及检测和试验等知识 ， 掌握与设计相关的技术标准 ， 加强与弹簧制造厂家工程师沟通 ，就能够设计 出符合 产品性能要求和技术指标的弹簧。 参考文 献 路 甬祥． 液压气动技术手册[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 熊文修． 机械零件【 M】 ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 8 5 ． 北 方工业大学流体传 动与控制教研室和济南华 能气动元器 件公司共同编著． 气动元件 与系统设计【 M ] 一E 京 机械工业出 版社， 1 9 9 5 ． 9 ． 张英会 ， 刘辉航， 王德成． 弹簧手册【 M 】 ． 北 京 机械工业 出版社， 1 99 7． 史美堂． 金 属材 料及热处理【 M】 ． 上海 上海科学技 术出版社 ， 1 98 0． 徐灏． 机械设计手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 1 ． S MC q n 国 有 限公 司编著． 现代 实用气动技术【 M 】 ． 北京 机械 工业 出版社， 2 0 0 3 ． Ⅲ 吲 嘲