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 五金彈簧的設(shè)計應(yīng)力提高后,螺旋角加大,會使彈簧的疲勞源由簧圈的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。為此,必須采用彈簧精密的解析技術(shù),當前應(yīng)用較廣的方法是有限元法。車輛懸架彈簧的特征是除足夠的疲勞壽命外,其永久變形要小,即抗松弛性能要在規(guī)定的范圍內(nèi),否則由于彈簧的不同變形,將發(fā)生車身重心偏移。同時,要考慮環(huán)境腐蝕對其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養(yǎng)期的增大,對永久變形和疲勞壽命都提出了更嚴格的要求,為此必須采用高精度的設(shè)計方法。有限元法可以詳細預(yù)測彈簧應(yīng)力疲勞壽命和永久變形的影響,能準確反映材料對彈簧疲勞壽命和永久變形的關(guān)系。
近年來,彈簧的有限元設(shè)計方法已進入了實用化階段,出現(xiàn)了不少有實用價值的報告,如螺旋角對彈簧應(yīng)力的影響;用有限元法計算的應(yīng)力和疲勞壽命的關(guān)系等。所示為用現(xiàn)行設(shè)計方法計算和有限元法解析應(yīng)力的比較。對相同結(jié)構(gòu)的彈簧,在相同載荷作用下,從圖中可以看出,有效圈少的或螺旋角大的高應(yīng)力彈簧的應(yīng)力,兩種方法得出的結(jié)果差別比較大。這是因為隨著螺旋角的增大,加大載荷偏心,使彈簧外徑或橫向變形較大,因而應(yīng)力比較大。用現(xiàn)行的設(shè)計計算方法不能確切地反映,而有限元法則能較為確切地反應(yīng)出來。
彈簧設(shè)計在利用可靠性技術(shù)方面取得了一定的進展,但要進一步完善,需要數(shù)據(jù)的開發(fā)和積累。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,在國內(nèi)外編制出各種版本的彈簧設(shè)計程序,為五金彈簧技術(shù)人員提供了開發(fā)創(chuàng)新的便利條件。應(yīng)用設(shè)計程序完成了設(shè)計難度較大的弧形離合器彈簧和鼓形懸架彈簧的開發(fā)等。隨著彈簧應(yīng)用技術(shù)的開發(fā),也給設(shè)計者提出了很多需要注意和解決的新問題。如材料、強壓和噴丸處理對疲勞性能和松弛性能的影響,設(shè)計時難以確切計算,要靠實驗數(shù)據(jù)來定。又如按現(xiàn)行設(shè)計公式求出的圈數(shù),制成的彈簧剛度均比設(shè)計剛度值小,需要減小有效圈數(shù),方可達到設(shè)計要求,江蘇鎖具。當前大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計趨勢,以最大工作切應(yīng)力和疲勞壽命要求為例。
目前,廣泛應(yīng)用的五金彈簧應(yīng)力和變形的計算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來的。若無一定的實際經(jīng)驗,很難設(shè)計和制造出高精度的彈簧,隨著設(shè)計應(yīng)力的提高,以往的很多經(jīng)驗不再適用。