目前,廣泛應用的彈簧應力和變形的計算公式是根據材料力學推導出來的。若無一定的實際經驗,很難設計和制造出高精度的彈簧,隨著設計應力的提高,以往的很多經驗不再適用。例如,彈簧的設計應力提高後,螺旋角加大,會使壓縮彈簧的疲勞源由簧圈的內側轉移到外側。為此,必須采用彈簧精密的解析技術,當前應用較廣的方法是有限元法(FEM)。

  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定的范圍內,否則由於彈簧的不同變形,將發生車身重心偏移。同時,要考慮環境腐蝕對其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養期的增大,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計方法。有限元法可以詳細預測拉伸彈簧應力疲勞壽命和永久變形的影響,能准確反映材料對彈簧疲勞壽命和永久變形的關系。

  近年來,彈簧的有限元設計方法已進入了實用化階段,出現了不少有實用價值的報告,如螺旋角對彈簧應力的影響;用有限元法計算的應力和疲勞壽命的關系等。

  圖1-8所示為用現行設計方法計算和有限元法解析應力的比較。對相同結構的彈簧,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力彈簧的應力,兩種方法得出的結果差別比較大。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,因而應力比較大。用現行的設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出來。

  彈簧有限元分析方法,在彈簧技術水平較高的國家雖已進入實用化,我國雖有這方面的技術開發,但尚未形成實用模型。

  另外,在彈簧的設計進程中還引進了優化設計。彈簧的結構較為簡單,功能單純,影響結構和性能的參變量少,所以設計者很早就運用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優設計方案,並取得了一定成效。隨著計算技術的發展,利用計算機進行非線性規劃的優化設計取得了成效(見第10章11節)。

  可靠性設計是為了保證所設計的產品的可靠性而采用的一系列分析與設計技術,它的功能是在預測和預防產品可能發生故障的基礎上,使所設計的產品達到規定的可靠性目標值,是傳統設計方法的一種補充和完善。彈簧設計在利用可靠性技術方面取得了一定的進展(見第10章12節),但要進一步完善,需要數據的開發和積累。

  隨著計算機技術的發展,在國內外編制出各種版本的彈簧設計程序,為彈簧技術人員提供了開發創新的便利條件。應用設計程序完成了設計難度較大的弧形離合器彈簧和鼓形懸架彈簧的開發等。

  隨著彈簧應用技術的開發,也給設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,設計時難以確切計算,要靠實驗數據來定。又如按現行設計公式求出的圈數,制成的彈簧剛度均比設計剛度值小,需要減小有效圈數,方可達到設計要求。

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