彈簧是工業(yè)生產(chǎn)中有重大需求的彈性零件,彈簧在運行過程中主要的作用是減震、復(fù)位及傳遞力和力矩。由于彈簧用途廣泛,它的蹤跡遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,滲入到人們的日常生活。但在各使用領(lǐng)域中汽車業(yè)(包括發(fā)動機制造業(yè)與摩托車制造業(yè))是彈簧最重要的顧客,目前國內(nèi)彈簧制造企業(yè)銷售收入40%以上來自汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)。并且由于汽車產(chǎn)品涉及到人身安全、環(huán)境保護和能源消耗,上世紀80年代以后各國政府紛紛通過立法的方式對汽車的安全、排放、節(jié)能指標(biāo)提出種種要求,這些要求主機廠必然分解落實到各種配套產(chǎn)品。以懸架彈簧為例,80年代至今彈簧使用應(yīng)力提高近20%,重量相應(yīng)減少。氣門彈簧普遍地從原來內(nèi)外彈簧組成的雙彈簧結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螐椈山Y(jié)構(gòu),材料節(jié)省30%以上。
當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中,所承受的垂直載荷為正向時,各彈簧片都受力變形,有向上拱彎的趨勢。這時,車橋和車架便相互靠近。當(dāng)車橋與車架互相遠離時,鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形便逐漸減小,有時甚至?xí)聪?。重型車板簧主片卷耳受力嚴重,是薄弱處,為改善主片卷耳的受力情況,常將第二片末端也彎成卷耳,包在主片卷耳的外面,稱為包耳。為了使得在彈性變形時各片有相對滑動的可能,在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做成卷耳,而采用其他的支撐連接方式,如橡膠支撐墊。扁平長方形的鋼板呈彎曲形,以數(shù)片疊成的底盤用彈簧,一端以梢子安裝在吊架上,另一端使用吊耳連接到大梁上,使彈簧能伸縮。目前適用于中大型的貨卡車上。
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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。圖1-8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。
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