基于UG的参数化弹簧设计
弹簧设计软件,各种参数都有
弹簧设计软件，各种参数都有 在机械CAD设计中弹簧是一个常见对象，而且包含了压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧等多种类型。哪种CAD软件最适合进行弹簧设计，而且参数比较全呢？在这里我推荐浩辰CAD机械软件。浩辰CAD机械软件预置了弹簧设计功能，可以帮助工程设计人员快速完成常用弹簧的设计、静校核和绘图任务。 下面我们就以压缩弹簧为例讲解一下其绘制方法： 1、在浩辰CAD机械软件菜单栏中依次点击浩辰机械—机械设计—弹簧设计就会出现下图的弹簧设计窗口，提供了三大类弹簧的设计。 在这里，我们选择【压缩弹簧】，并进行标准压缩弹簧设计，软件会弹出压缩弹簧设计窗口。 2、根据弹簧工作极限负荷Flim,我们从对话框列表中选择一种弹簧型号，再输入有效圈数【n】和总圈数【n1】，注意应满足n1=n+(1.5--2.5)。如想了解弹簧型号库(即左列表中的内容)中的详细内容，请点击【备注】按钮，软件将弹出有关该弹簧库的信息。 3、输入完毕后，点击【确定】，系统将弹出对话框。
4、在对话框的上一排图形按钮中选取所需绘图的类别，再确定【弹簧绘图长度】。其中，如知道弹簧在图纸上的确切长度，可点中【输入弹簧绘图长度H】圆形按钮，再输入弹簧绘图长度（应满足H3= 弹簧的画法 1、一般弹簧 2、矩形弹簧、 3、锥形螺旋弹簧（盘弹簧） 4、纺锤形螺旋弹簧 t=0 xt=-sqrt(8)*(1-t)+sqr t(8)*t yt=2-0.25*xt^2 zt=0 5、椭圆弹簧 =1 r1=2 r2=1 n=5 a=0 b=360 s=(1-t)*a+t*b xt=r1*cos(n*s) yt=r2*sin(n*s) zt=t 6、闭合端部的弹簧 一个闭合端部的弹簧需要三条规律曲线：中间部分的一个简单螺旋线，在两端的可变螺距的螺旋线。闭合端部必须相切到顶部z平面与主螺旋线，利用指数方程可以解决这个问题。z值按照指数规律变化，指数等于主卷螺距除以闭合端的高度。 (1)建立单位为mm的新零件 (2)输入公式 Active_coils=11 //中间弹簧卷数Wire_dia=0.095 //弹簧线径 Closed_height=Wire_dia+0.1 //考虑最后卷的间隙 Dir=1 //改变螺旋旋转方向 Free_length=7 //弹簧自由长度OD=2.19 //弹簧外直径 Total_coils=13 //螺旋总卷数angle_offset=(Total_coils-trnc( Total_coils))*360 //0 angle_offset_init=(Total_coils-Active_coils)/2*360 //360 height=Free_length-Wire_dia-Closed_height*2 //中间螺旋高度 pitch=height/Active_coils //中间螺旋螺距 exp=(pitch/Closed_height*(To tal_coils-Active_coils)/2) //指数 radius=(OD-Wire_dia/2) //螺旋线半径 t=1 //规律参数 xt=cos(Dir*360*Active_coils*t +angle_offset_init)*radius //中间螺旋x规律 xt1=cos(Dir*360*(Total_coils- 汽车钢板弹簧设计 第一节悬架的定义、功能及其组成 悬架是现代汽车上的主要总成之一，它能够把车架（车身）与车轴（车轮）弹性的连接起来，其主要任务是传递作用在与车架和车轮之间的一切力和力矩，并且缓和由于路面不平而传给车身的冲击载荷，衰减由于冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的正常行驶。 悬架通常由弹性元件、导向机构及减振装置组成。弹性元件主要有：钢板弹簧，螺旋弹簧，橡胶弹簧，空气弹簧及油气弹簧等。在长期的发展过程中，由于钢板弹簧具有结构简单，制造成本较低，占用空间小，维修方便等一系列特点，因此目前在世界各国仍都在大量的采用钢板弹簧。 第二节．钢板弹簧的种类 一、按力学性能特点分： 分为等刚度、两极刚度复式钢板弹簧、渐变刚度钢板弹簧。 二、按截面形状分： 分为等截面板簧和变截面板簧 第三节．钢板弹簧的截面形状 目前国内钢板弹簧的截面形状有： a矩形截面b单面双槽截面c 带凸肋的截面弹簧在设计成不对称形状，目的是把断面的中性轴移近受拉表面，减少弹簧的拉应力。此种材料也存在缺点 （1）槽内容易储存泥沙加剧表面腐蚀。 2）轧制后在沟槽的对应拉面上，表面质量较差，双槽的比单槽的更严重。 这种表面缺陷成为疲劳起源点。 注：在钢板弹簧的设计过程中应优先选择GB1222-84《弹簧钢》所规定的规格 第四节．钢板弹簧的主要元件结构 一、第一片卷耳形式 钢板弹簧的卷耳形式一般有3 种结构，上卷耳、下卷耳和平卷耳（柏林耳）。上卷耳使用的比较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载荷作用下容易张开。平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中心线重合，对于不能增加主片厚度但又要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造上比上述两种卷耳复杂，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。 二、第二片包耳 精心整理 弹簧设计规范 一、弹簧的功能 弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有： ⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。 ⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。 ⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。 计算方法。 三、弹簧使用的材料及其用途 弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。 弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn,50CrMn,30W4Cr2V等。 a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。 因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。 106 D 弹簧定数不清：kTd=（Ed4）/[3667D×N+389(a1+a2)] 荷重：P=（kTd×φd）/R 弯曲应力：σ=（Ed×φd）/（360D×N） σ=（32P×R）/（πd3）×kb (安全确认)：kb=（4C2–C-1）/[4C(C-1)] 弯曲应力：容许限界以下 4.1、弹簧设计使用的基本公式 4.1.2、有初始张力的拉伸弹簧 + 圆柱弹簧的设计计算 (一)几何参数计算 普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D、中径D2、内径D1、节距p、螺旋升角α及弹簧丝直径d。由下图圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数图可知，它们的关系为： 式中弹簧的螺旋升角α，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在5°～9°范围内选取。弹簧的旋向可以是右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数 普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸计算公式见表(普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式)。 普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式 (二)特性曲线 弹簧应具有经久不变的弹 性，且不允许产生永久变形。因 此在设计弹簧时，务必使其工作 应力在弹性极限范围内。在这个 范围内工作的压缩弹簧，当承 受轴向载荷P时，弹簧将产生 相应的弹性变形，如右图a所 示。为了表示弹簧的载荷与变形 的关系，取纵坐标表示弹簧承受 的载荷，横坐标表示弹簧的变 形，通常载荷和变形成直线关系 (右图b)。这种表示载荷与变 形的关系的曲线称为弹簧的特 性曲线。对拉伸弹簧，如图<圆 柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线> 所示，图b为无预应力的拉伸 弹簧的特性曲线；图c为有预 应力的拉伸弹簧的特性曲线。 右图a中的H0是压缩弹簧 在没有承受外力时的自由长度。 弹簧在安装时，通常预加一个压 力 Fmin，使它可靠地稳定在安 装位置上。Fmin称为弹簧的最 小载荷(安装载荷)。在它的作 用下，弹簧的长度被压缩到H1 其压缩变形量为λmin。Fmax 为弹簧承受的最大工作载荷。在 Fmax作用下，弹簧长度减到 H2，其压缩变形量增到λmax。 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线λmax与λmin的差即为弹簧的 工作行程h,h=λmax-λmin。 Flim为弹簧的极限载荷。在该 力的作用下，弹簧丝内的应力达 到了材料的弹性极限。与Flim 对应的弹簧长度为H3，压缩变 形量为λlim。 1 范围 本规范适用于传统结构的非独立悬架系统，主要针对钢板弹簧和液力筒式减振器等主要部件设计参数的选取、计算、验证等作出较详细的工作模板。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。 QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 QCn 29035-1991 汽车钢板弹簧技术条件 QC/T 517-1999 汽车钢板弹簧用U形螺栓及螺母技术条件 GB/T 4783-1984 汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法 3 符号、代号、术语及其定义 GB 3730.1-2001 汽车和挂车类型的术语和定义 GB/T 3730.2-1996 道路车辆质量词汇和代码 GB/T 3730.3-1992 汽车和挂车的术语及其定义车辆尺寸 QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 GB/T 12549-2013 汽车操纵稳定性术语及其定义 GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件 GB 13094-2017 客车结构安全要求 QC/T 480-1999 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法 QC/T 474-2011 客车平顺性评价指标及限值 GB/T 12428-2005 客车装载质量计算方法 GB 1589-2016 道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值 GB/T 918.1-1989 道路车辆分类与代码机动车 JTT 325-2013 营运客车类型划分及等级评定 凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。 4 悬架系统设计对整车性能的影响 悬架是构成汽车的总成之一，一般由弹性元件（弹簧）、导向机构（杆系或钢板弹簧）、减振装置（减振器）等组成，把车架（或车身）与车桥（或车轮）弹性地连接起来。主要任务是传递作用在车轮与车架之间的一切力与力矩，缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的 .闭合端部的弹簧 一个闭合端部的弹簧需要三条规律曲线：中间部分的一个简单螺旋线，在两端的可变螺距的螺旋线。闭合端部必须相切到顶部z平面与主螺旋线，利用指数方程可以解决这个问题。z值按照指数规律变化，指数等于主卷螺距除以闭合端的高度。 (1)建立单位为inches的新零件 (2)输入公式(考别下面的内容并保存为*.exp文件，可以直接导入到ug公式里面） ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Active_coils=11 //中间弹簧卷数 Wire_dia=0.095 //弹簧线径 Closed_height=Wire_dia+0.1 //考虑最后卷的间隙 Dir=1 //改变螺旋旋转方向 Free_length=7 //弹簧自由长度 OD=2.19 //弹簧外直径 Total_coils=13 //螺旋总卷数 angle_offset=(Total_coils-trnc(Total_coils))*360 //0 angle_offset_init=(Total_coils-Active_coils)/2*360 //360 height=Free_length-Wire_dia-Closed_height*2 //中间螺旋高度 pitch=height/Active_coils //中间螺旋螺距 exp=(pitch/Closed_height*(Total_coils-Active_coils)/2) //指数 radius=(OD-Wire_dia/2) //螺旋线半径 t=1 //规律参数 xt=cos(Dir*360*Active_coils*t+angle_offset_init)*radius //中间螺旋x规律 xt1=cos(Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t)*radius //上端部螺旋x规律 xt2=cos(-Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t+angle_offset)*radius //下端部螺旋x规律 yt=sin(Dir*360*Active_coils*t+angle_offset_init)*radius //中间螺旋y规律 yt1=sin(Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t)*radius //上端部螺旋y规律 yt2=sin(-Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t+angle_offset)*radius //下端部螺旋y规律 zt=t*height+Closed_height+Wire_dia/2 //中间螺旋z规律 zt1=(t^(exp)*Closed_height)+Wire_dia/2 //上端部螺旋z规律 zt2=(-t^(exp)*Closed_height)+height+Closed_height*2+Wire_dia/2 //下端部螺旋z规律--------------------------------------------------------------------------------------- (3)利用law curve建立三条规律曲线 (4)tube(Outer diameter=Wire_dia,Inner Diameter-0) 本贴包含图片附件: 弹簧设计计算 弹簧在材料选定后，设计时需要计算出弹簧刚度F、中径D、钢丝直径d、有效圈数n、变形量f。 以下面弹簧设计为例； 1.计算弹簧受力： 假设弹簧端克服1个标准大气压，即推动钢球，则弹簧受力为： F=PA=1×105N/mm2×πd12 /4 其中d1——钢球通道直径 弹簧还须克服钢球下降重力： G=mρV=m×4ρπR3/3 其中R——钢球半径 弹簧受合力： F合=F+G 考虑制造加工因素，增加1.2倍系数 F′=1.2F合 2.选材料:(一般选用碳素弹簧钢丝65Mn或琴钢丝) 以65Mn为例,钢丝直径d=1.4mm 3.查表计算许用应力: 查弹簧手册8-10表中Ⅰ类载荷的弹簧考虑(根据阀弹簧受力情况而言) 材料的抗拉强度σb与钢丝直径d有关 查表2-30(选用D组): σb=2150～2450Mpa 安全系数K=1.1～1.3, 可取K=1.2, 则σb=1791.7～2041.7 Mpa 因此σb=1791.7Mpa(下限值) 查表2-103,取切变模量G=78.8×103Mpa 查表8-10,取许用切应力τs==0.5σb=0.3×1791.7=537.51Mpa 4.选择弹簧旋绕比C: 根据表8-4初步选取C=10 5.计算钢丝直径:d≥1.6√KFC/[τ] 其中K——曲度系数,取K=1.1～1.3 F——弹簧受力 6.计算弹簧中径: D=C d 7.计算弹簧有效圈数: n=Gd4f/8FD3则总圈数n总=n+n1(查表8-6) 8.计算试验载荷: Fs=πd3τs/8D 9.自由高度: H0=nt+1.5d 其中:t——初步估计节距t=d+f/n+δ1(δ1=0.1d) 查表8-7系列值H0取整数 10.节距计算: t=(H0-1.5d)/n 11.弹簧螺旋角:(此值一般符合=5°～9°) α=arctan(t/πD) 弹簧种类参数及常用知识 弹簧的用途很广，可以用来储藏能量、减振、测力等。在电器中，弹簧常用来保证导电零件的良好接触 或脱离接触。 弹簧的种类很多，有螺旋弹簧、蜗卷弹簧、板弹簧和片弹簧等，如图10.2-1所示。 在各种弹簧中，以普通圆柱螺旋弹簧最为常见，GB/T 1239-1984对其型式、端部结构和技术要求等都 作了规定。在GB/T 1358-1993对其尺寸系列也作了规定。 圆柱螺旋压缩弹簧各部分名称及其相互关系 下表列出了圆柱螺旋压缩弹簧各部分名称、基本参数及其相互关系。 圆柱螺旋压缩弹簧各部分名称和基本参数 名称符号说明图例 型材直径d 制造弹簧用的材料直径 弹簧的外径D 弹簧的最大直径 弹簧的内径D1 弹簧的最小直径 弹簧的中径D2 D2 = D-d = D1+d 有效圈数n 为了工作平稳，n一般不小于3圈 支承圈数n0 弹簧两端并紧和磨平（或锻平），仅起支承或固定作用的圈（一般取1.5、2或2.5圈） 总圈数n1 n1 = n + n0 节距t 相邻两有效圈上对应点的轴向距离 自由高度H0 未受负荷时的弹簧高度H0 = nt + (n0-0.5)d 展开长度L 制造弹簧所需钢丝的长度L ≈πDn1 在GB/T 2089-1994中对圆柱螺旋压缩弹簧的d、D、t、H0、n、L等尺寸都已作了规定，使用时可查阅 该标准。 2 圆柱螺旋压缩弹簧的规定画法 根据GB/T 4459.4-1984，螺旋弹簧的规定画法如下： ⑴在平行于螺旋弹簧轴线的投影面的视图中，各圈的外轮廓线应画成直线。 ⑵螺旋弹簧均可画成右旋，但左旋螺旋弹簧不论画成左旋或右旋，必须加写“左”字。 ⑶对于螺旋压缩弹簧，如要求两端并紧且磨平时，不论支承圈数多少和末端贴紧情况如何，均按右图( 有效圈是整数，支承圈为2.5圈)的形式绘制。必要时也可按支承圈的实际结构绘制。 ⑷当弹簧的有效圈数在四圈以上时，可以只画出两端的1～2圈（支承圈除外），中间部分省略不画，用 通过弹簧钢丝中心的两条点画线表示，并允许适当缩短图形的长度。 弹簧设计规 一、弹簧的功能 弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有： ⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。 ⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。 ⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。 ⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制燃机气缸阀门开启的弹簧等。 二、弹簧的类型、特点和应用 弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表1。 名称弹簧简图特点及应用名称弹簧简图特点及应用 圆柱形螺旋弹 簧图(a)承受拉力，图(b) 承受压力，结构简单， 制造方便，应用最为广 泛 碟形 弹簧 承受压力，缓冲及减振能 力强，常用于重型机械的 缓冲和减振装置。 圆柱形螺旋扭转弹簧承受转矩，主要用于各 种装置中的压紧和蓄 能 环形 弹簧 承受压力，是目前最强的 压缩、缓冲弹簧，常用于 重型设备，如机车车辆、 锻压设备和机械中的缓 冲装置。 圆锥形螺旋弹 簧承受压力，结构紧凑， 稳定性好，防振能力较 强，多用于承受大载荷 和减振的场合 盘簧 承受转矩，能储存较大的 能量，常用作仪器、钟表 中的弹簧。 板弹簧承受弯曲，变形大，吸振能力强，主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。 法。 UG NX各种弹簧建模的参数资料. 闭合端部的弹簧 一个闭合端部的弹簧需要三条规律曲线：中间部分的一个简单螺旋线，在两端的可变螺距的螺旋线。闭合端部必须相切到顶部z平面与主螺旋线，利用指数方程可以解决这个问题。z值按照指数规律变化，指数等于主卷螺距除以闭合端的高度。 (1)建立单位为inches的新零件 (2)输入公式(考别下面的内容并保存为*.exp文件，可以直接导入到ug公式里面） ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Active_coils=11//中间弹簧卷数 Wire_dia=0.095//弹簧线径 Closed_height=Wire_dia+0.1//考虑最后卷的间隙 Dir=1//改变螺旋旋转方向 Free_length=7//弹簧自由长度 OD=2.19//弹簧外直径 Total_coils=13//螺旋总卷数 angle_offset=(Total_coils-trnc(Total_coils))*360//0 angle_offset_init=(Total_coils-Active_coils)/2*360//360 height=Free_length-Wire_dia-Closed_height*2//中间螺旋高度 pitch=height/Active_coils//中间螺旋螺距 exp=(pitch/Closed_height*(Total_coils-Active_coils)/2)//指数 radius=(OD-Wire_dia/2)//螺旋线半径 t=1//规律参数 xt=cos(Dir*360*Active_coils*t+angle_offset_init)*radius//中间螺旋x规律 xt1=cos(Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t)*radius//上端部螺旋x规律 xt2=cos(-Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t+angle_offset)*radius//下端部螺旋x规律 yt=sin(Dir*360*Active_coils*t+angle_offset_init)*radius//中间螺旋y规律 yt1=sin(Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t)*radius//上端部螺旋y规律 yt2=sin(-Dir*360*(Total_coils-Active_coils)/2*t+angle_offset)*radius//下端部螺旋y规律 zt=t*height+Closed_height+Wire_dia/2//中间螺旋z规律 zt1=(t^(exp)*Closed_height)+Wire_dia/2//上端部螺旋z规律 zt2=(-t^(exp)*Closed_height)+height+Closed_height*2+Wire_dia/2//下端部螺旋z规律 --------------------------------------------------------------------------------------- (3)利用law curve建立三条规律曲线 (4)tube(Outer diameter=Wire_dia,Inner Diameter-0)本贴包含图片附件: 弹簧参数及尺寸 一、小型圆柱螺旋拉伸弹簧尺寸及参数 1、弹簧的工作图及形式 1.1 工作图样的绘制按GB4459、4规定。 1.2 弹簧的形式分为A型和B型两种。 2、材料弹簧材料直径为0.16~0.45mm，并规定使用GB4357中B组钢丝或YB(T)11中B组钢丝。采用YB(T)11中B组钢丝时，需在标记中注明代号“S”。 3、制造精度弹簧的刚度、外径、自由长度按GB1973规定的3级精度制造。如需按2级精度制造时，加注符号“2”，但钩环开口尺寸均按3级精度制造。 4、旋向弹簧的旋向规定为右旋。如需左旋应在标记中注明“左”。 5、钩环开口弹簧钩环开口宽度a为0.25D~0.35D。注：D为弹簧中径。 6、表面处理 6.1采用碳素弹簧钢丝制造的弹簧，表面一般进行氧化处理，但也可进行镀锌、镀镉、磷化等金属镀层及化学处理。其标记方法应按GB1238的规定。 6.2采用弹簧用不锈钢丝制造的弹簧，必要时可对表面进行清洗处理，不加任何标记。 7、标记 7.1标记的组成弹簧的标记由名称、型式、尺寸、标准编号、材料代号(材料为弹簧用不锈钢丝时)以及表面处理组成。规定如下： 7.2标记示例 例1:A型弹簧，材料直径0.20mm，弹簧中径3.20mm，自由长度8.80mm，左旋，刚度、外径和自由长度的精度为2级，材料为碳素弹簧钢丝B组，表面镀锌处理。 标记:拉簧A0.20*3.20*8.80-2左GB1973.2——89-D-Zn 例2：B型弹簧，材料直径0.40mm，弹簧中径5.00mm，自由长度17.50mm，右旋，刚度、外径和自由长度的精度为3级，材料为弹簧用不锈钢丝B组。 标记：拉簧B0.40*5.00*17.50 GB1973.2--89-S 8、计算依据标准中的计算采用如下基本公式： 切应力(N/mm²)：τ=(8PDK)/(πd³) 变形量(mm)：F=(8PD³n)/ Gd4 弹簧钢度(N/mm):P′=P/ F=(Gd4)/(8D³n) 曲度系数：K =(4C-1)/(4C-4)+ (0.615)/C 旋转比：C =D/d 自由长度(mm)：H。=(n+1.5)d+ 2Dι 弹簧钢丝展开长度(mm)：L≈(n + 2)πD 弹簧单件质量(mg):m≈(πd²/4)Lρ 注：ρ为弹簧材料密度，取ρ=7.85mg/mm³。初拉力P的计算公式与初应力τ。的选取范围：P。=(πd³/8D)τ。 ∵P。=(πd³/8D)π。取π。C≈60， 则：P。=(πd³/8D)·(60/C)=(23.56d4)/D² 式中：D为弹簧的中径。 当选取初拉力时，推荐初拉力τ。值在图A1阴影区域内选取。本标准中的τ。是按照关系式τ。C≈60确定的，即取τ。上下限的近似中点而算出P。值。 二、小型圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数 1、弹簧的工作图及型式 1.1 工作图样的绘制按GB 4459.4的规定。 1.2 弹簧的形式分为两端圈并紧不模型(YⅡⅠ)和两端圈并紧磨平型(YⅠ)两种。 ug各种弹簧建模 Simwe会员 alioth整理 一、闭合端部的弹簧 一个闭合端部的弹簧需要三条规律曲线：中间部分的一个简单螺旋线，在两端的可变螺距的螺旋线。闭合端部必须相切到顶部z平面与主螺旋线，利用指数方程可以解决这个问题。z值按照指数规律变化，指数等于主卷螺距除以闭合端的高度。 (1)建立单位为inches的新零件 (2)输入公式(考别下面的内容并保存为.exp文件，可以直接导入到ug公式里面）------------------------------------------------------------------------------------------------------- Active_coils=11 中间弹簧卷数 Wire_dia=0.095 弹簧线径 Closed_height=Wire_dia+0.1 考虑最后卷的间隙 Dir=1 改变螺旋旋转方向 Free_length=7 弹簧自由长度 OD=2.19 弹簧外直径 Total_coils=13 螺旋总卷数 angle_offset=(Total_coils-trnc(Total_coils))360 0 angle_offset_init=(Total_coils-Active_coils)2360 360 height=Free_length-Wire_dia-Closed_height2 中间螺旋高度 pitch=heightActive_coils 中间螺旋螺距 exp=(pitchClosed_height(Total_coils-Active_coils)2) 指数 radius=(OD-Wire_dia2) 螺旋线半径 t=1 规律参数 xt=cos(Dir360Active_coilst+angle_offset_init)radius 中间螺旋x规律 xt1=cos(Dir360(Total_coils-Active_coils)2t)radius 上端部螺旋x规律 xt2=cos(-Dir360(Total_coils-Active_coils)2t+angle_offset)radius 下端部螺旋x规律 yt=sin(Dir360Active_coilst+angle_offset_init)radius 中间螺旋y规律 yt1=sin(Dir360(Total_coils-Active_coils)2t)radius 上端部螺旋y规律 yt2=sin(-Dir360(Total_coils-Active_coils)2t+angle_offset)radius 下端部螺旋y规律 zt=theight+Closed_height+Wire_dia2 中间螺旋z规律 zt1=(t^(exp)Closed_height)+Wire_dia2 上端部螺旋z规律 zt2=(-t^(exp)Closed_height)+height+Closed_height2+Wire_dia2 下端部螺 橡胶空气弹簧是由帘线层、内外 橡胶层或钢丝圈经成型后硫化形 成一种挠性体，利用充入空气的 可压缩性实现弹性功能的一种橡 胶元件。俗称空气弹簧、橡胶气 囊、气囊等。 橡胶空气弹簧总成由橡胶空 气弹簧、上底座、下底座（活塞）、 缓冲垫经装配后形一个具有密闭 气室的整体。 橡胶空气弹簧按形状分为囊式、膜式和袖筒式三大类。按密封结构形式分为压力自封式、轮缘夹紧式、箍环密封式和混合式四大类。 橡胶空气弹簧的载荷主要由帘线承受，帘线的层数主要由2层组成，特殊要求产品由4层帘线层组成。内层橡胶主要是起密封作用，外层橡胶除了起密封作用外，还起保护作用。 橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。 AW=F/P 式中：AW---橡胶空气弹簧有效面积，mm2， F—橡胶空气弹簧负荷，kN, P—橡胶空气弹簧的内压，MPa 橡胶空气弹簧装配成总成后，向空气弹簧内充入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用，是具有弹簧作用的非金属弹簧，同时橡胶空气弹簧拥有许多优越金属弹簧的特点：橡胶空气弹簧具有非线性特性，可根据需要将它的特性线设计成比较理想的曲线；橡胶空气弹簧的刚度随载荷而变，使弹簧装置具有理想的特性：橡胶空气弹簧能同时承受轴向和径向载荷，也能传递扭矩：橡胶空气弹簧通过调整内压力，可以得到不同的承载能力，因此适应多种载荷的需求：橡胶空气弹簧的重量轻，使用寿命长：橡胶空气弹簧的高频隔振和隔音性能好。橡胶空气弹簧所需安装空间小，更换方便。 1. 橡胶空气弹簧在车辆悬架系统上的应用 以橡胶空气弹簧为弹性元件的悬架方式叫做空气悬架系统。目前国外高档客车、轿车及牵引车上几乎都装有空气悬架系统，国内中高档客车正在试制性使用或准备使用空气悬架系统。当车辆采用空气悬架系统后，可以实现车身高度的自动调节，使车身高度保持不变，橡胶空气弹簧的自然频率低，减振和隔音效果好，可以大大提高车辆行驶的平顺行，乘座的柔软性和舒适性，同时可有效保护车上自身的和运输的精密仪器和电器设备，减少维修次数和降低维修费用，延长车辆使用寿命，并大大降低车辆对路面的冲击，延长路面的使用寿命。随着国内空气悬架系统应用技术的成熟，以及国家对客车质量等级评审新规定的执行，空气弹簧在车辆上的应用前景将越来越普遍和广阔。 2.橡胶空气弹簧在举升设备上的应用 传统的举升设备采用的气缸或液压缸进行举升物体，所需安装空间大，制造困难，重量重， 圆形截面圆柱压缩弹簧设计 特性线呈线性，刚性稳定，结构简单，制造方便，应用较广，在机械设备中多用作缓冲，减震，以及储能和控制运动等。 现以下图（图0）为例做一个弹簧。 图0 圆形截面圆柱压缩弹簧创建过程 1.创建螺旋线 （1）首先打开CATIA应用程序，然后在【开始Start】下拉菜单中从【形状shape】/【创成式曲面设计Generative Shape Design】打开曲面设计工作平台，如图1所示，系统弹出【零部件名称Part Name】对话框。 （2）在弹出的【零部件名称Part Name】对话框中输入弹簧的零件名称：spring，单击【确定OK】按钮。用户也可在树状目录上右键单击，在弹出的关联菜单中选【属性Properties】，然后在选项板上修改【零部件名称Part Name】为spring，如图2所示，单击【确定OK】按钮后，树状目录也被相应修改，如图3所示。 图1 图2 图3 （2）单击【参考元素Points】工具栏上的【点Point】工具按钮，系统弹出如图4所示的【点定义Point Definition】对话框。在对话框的【点的形式Point type】选择坐标，x坐标改为11.5mm，y，z坐标分别为0mm。单击确定。 图4 （3）再单击【曲线Curves】工具栏上的【螺旋线Helix】工具按钮，系统弹出如图5所示的【螺旋曲线定义Helix Curve Definition】对话框。在对话框的【起点Start Point】中选中【Point.1】，在对话框的【轴Axis】中选中【z轴Z Axis】在对话框的【螺距Pitch】中填4mm，在对话框的【高度Height】中填4mm.单击确定。所画螺旋线如图6所示。 图5 1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸 1、弹簧的主要尺寸 如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t、螺旋升角a、自由长度H0等。 2、弹簧参数的计算 弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最重要的参数之一。 C=D2/d，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表。 弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为： 弹簧节距t一般按下式取： （对压缩弹簧）； t=d （对拉伸弹簧）； 式中：λmax --- 弹簧的最大变形量； Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。 弹簧钢丝间距： δ=t-d ； 弹簧的自由长度： H=n·δ+(n0-0.5)d（两端并紧磨平）； H=n·δ+(n0+1)d（两端并紧，但不磨平）。 弹簧螺旋升角： ，通常α取5～90 。弹簧丝材料的长度： （对压缩弹簧）； （对拉伸弹簧）； 其中l为钩环尺寸。 2 弹簧的强度计算 1、弹簧的受力 图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩T=FRcosα，弯矩M=FRsinα，切向力Q=Fcosα和法向力N=Fsinα（式中R为弹簧的平均半径）。由于弹簧螺旋角α的值不大（对于压缩弹簧为6～90 ）,所以弯矩M和法向力N可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。α的值较小时，cosα≈ 1,可取T=FR和Q=F。这种简化对于计算的准确性影响不大。 当拉伸弹簧受轴向拉力F时，弹簧丝槽剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T和切向力Q均为相反的方向。所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。 2、弹簧的强度 从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝 系数Ks可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得到扭应力 式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径 3、弹簧的刚度 圆柱弹簧受载后的轴向变形量 式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。 这样弹簧的圈数及刚度分别为 弹簧参考资料 §12-1 概述 弹簧是常用的弹性零件，它在受载后产生较大的弹性变形，吸收并储存能量。 弹簧有以下的主要功能： (1)减振和缓冲。如缓冲器，车辆的缓冲弹簧等。 (2)控制运动。如制动器、离合器以及内燃机气门控制弹簧。 (3)储存或释放能量。如钟表发条，定位控制机构中的弹簧。 (4)测量力和力矩。用于测力器、弹簧秤等。 按弹簧的受力性质不同，弹簧主要分为： 拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧。 按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等。 此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等。 §12-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计 一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线 1、弹簧的结构 (1)压缩弹簧（图12－1） A、YI型：两端面圈并紧磨平 B、YⅢ型：两端面圈并紧不磨平。 磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。 (a)YⅠ型(b)YⅡ型 图12-1 压缩弹簧 (2)拉伸弹簧（图12－2） A、LI型：半圆形钩 B、LⅡ型：圆环钩 C、LⅦ型：可调式挂钩，用于受力较大时 图12-2 拉伸弹簧 2、主要几何尺寸 弹簧丝直径d、外径D、内径、中径、节距p、螺旋升角 、自由高度(压 缩弹簧)或长度(拉伸弹簧)，如图12-3。此外还有有限圈数n，总圈数，几何尺寸计算公式见表12-1。 (a) (b) 图12-3 圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数 表12-1 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式 弹簧指数C：弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即：C=D2/d。 弹簧丝直径d相同时，C值小则弹簧中径D2也小，其刚度较大。反之则刚度较小。通常C值在4～16范围内，可按表12-2选取。 表12-2 圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C 3、特性曲线 弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。 *** 二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定 一、PID 控制的应用研究现状综述 PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20 世纪30 年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，参数易于调整， 在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中， 由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中，PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正和完善，从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。 二、研究原理 比例控制器的传递函数为：G (s) K P P G (s) K PI P 1 1 T s I 积分控制器的传递函数为： 1 1 G (s) K T s PID P D T s I 微分控制器的传递函数为： 三、设计题目 设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果（被控对象为二阶环节，传递函数G S ，参数为M=1 kg, b=2 N.s/m, k=25 N/m, F(S)=1 ）；系统示意图如图 1 所示。 图1 弹簧-阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：M x bx kx F G( s) X F ( ( s) s) Ms 1 1 2 bs k s2 s 2 25 四、设计要求 通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器（分别使用P、PI、PID 控制器）设计及其参数整定，定量 分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。同 时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅 助设计，学会运用SIMULINK 对系统进行仿真，掌握PID 控制器参数的设计。 （1）控制器为P 控制器时，改变比例带或比例系数大小，分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。 （2）控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数大小， 分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。（当kp=50 时，改变积分时间常数） 实验报告 课程名称：CAD/CAM技术与工程软件应用实验项目：一种安全阀阀体的建模 专业班级：机械设计制造及其动化1307班 姓名：学号： 实验室号：实验组号： 实验时间：批阅时间： 指导教师：成绩： 沈阳工业大学实验报告 专业班级：学号：姓名： 实验名称：CAD/CAM技术与工程软件应用综合实验 实验方案（程序设计说明）[包括建模思路，必要的设计说明、使用的主要命令 将该零件适当地拆分成简单的几何体后分析零件发现，该零件大体上比较规局部有一些相对不规则的地方，所以采用混合建模的方式，对于规则的几何体直接使用设计特征中的命令进行直接建模，对于其中少数相对不规则的几何体，采用草图绘制后拉伸或旋转得到相应的模型， 分析还可以发现，该零件有许多对称的图形，可以使用实例特征来进行阵列，这样可以减少不必要的重复操作，以节省时间。 使用的主要命令有：圆柱体，凸台，草图绘制，拉伸，回转，常规孔（简单，边倒圆，插入基准轴，实例特征等。 2、创建圆柱体 选择“插入”→“设计特征”→“圆柱体”命令，放置面选择XC-YC，直径为60 ，高度为13，轴方向为ZX，布尔操作选择“无”结果如图所示。 4、在凸台上创建凸台 选择“插入”→“设计特征”→“凸台”命令，放置于圆柱上表面，直径为50 高度为51 锥角为0°，单击应用后进入定位对话框，选择“点到点”后选择所附着圆柱上表面的外圆，再在弹出的对话框中选择“圆弧中心”，结果如下图所示。 6插入凸台 选择“插入”→“设计特征”→“凸台”命令，放置于圆柱上表面，直径为77，高度为8，锥角0°，单击应用后进入定位对话框，选择“点到点”后选择所附着圆柱上表面的外圆，再在弹出的对话框中选择“圆弧中心”，结果如下图所示。ug各种弹簧建模资料
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1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸
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