第16章机械设计-弹簧

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1、第16章 弹 簧,16-1 弹簧概述,16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、 材料及许用应力,16-5 其它弹簧简介,16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算,16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算,工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形， 在机械设备中被广泛用作弹性元件。,功用： 1. 控制机构运动或零件的位置; 如凸轮机构、离合器、阀门等；,16-1 弹簧的功用和类型,3. 存储能量; 如钟表仪器中的弹簧；,4. 测量力的大小 ；如弹簧秤中的弹簧,螺旋 弹簧,圆柱形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,5. 改变系统的自振频率。,分类,2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各

2、种缓冲器中的弹簧；,分类,螺旋弹簧,圆柱形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,环形弹簧,平面涡圈弹簧 仪表中储能用,板弹簧,碟形弹簧,潘存云教授研制,潘存云教授研制,16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力,一、圆柱螺旋弹簧的结构形式,压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距 。,支承圈或死圈两端有3/45/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。,磨平,端部磨平重要弹簧,端部不磨平 一般用途,磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4,压缩弹簧的总圈数：,n1 = n+(1.52.5),为使工作平稳，n1的尾数取1/2,变形用,n为有效圈数,

3、圆柱螺旋压缩弹簧,拉伸弹簧,（1）各圈相互并紧=0；,（2）制作完成后具有初拉力；,（3）端部做有拉钩，以便安装 和加载。,拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。,改进后的结构,拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。,特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。,特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。,二、弹簧的制造,制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。,冷卷：d10 mm,热卷：d 10 mm，卷制温度：8001000, 低温回火，消除应力, 淬火、回火,经强压处理可提高承载能力,强压处理：将弹簧预先压缩

4、到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。, 对于重要压缩弹簧，为了保证承载面与轴线垂直，端部应磨平 拉伸弹簧，为了便于联接与加载，两端制有拉构，,工艺试验包括：耐冲击、疲劳等试验,三、弹簧的材料及许用应力,要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、 塑性和良好的热处理性能。,材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。,弹簧的材料,碳素弹簧钢：含碳量在0.6 % 0.9%之间，如65、70、85,合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。,有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。,优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强

5、度，适宜的韧性和塑性。,缺点：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。,优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。,选用原则： 充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。,弹簧的许用应力,弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等,弹簧按载荷分为三类：,I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。,II类弹簧：受变载荷作用次数在103 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。,III类弹簧：受变载荷作用次数在103 ，或受

6、静载荷 的弹簧。,节距：t = d +,max 最大变形量。F2为最大载荷,通常 t(0.30.5)D2 , =59,螺旋升角：,弹簧丝的展开长度:,自由高度:,H0=n+(n1+1)d,两端并紧不磨平结构：,H0=n+(n1-0.5)d,对于两端并紧磨平结构,并紧高度： Hs =,(n1+1)d,(n1-0.5)d,一、几何尺寸计算,16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算,表16-3 圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算,二、 弹簧的特性曲线,特性曲线 载荷-变形曲线,压缩弹簧的特性曲线,压缩弹簧的特性曲线,最小工作载荷:,Fmin=（0.10.5）Fmax,最大工作载荷 Fmax,在Fmax的作用下，m

7、ax,弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧可靠地稳定在安装位置上。,极限载荷 Flim,压缩弹簧的特性曲线,最小变形 min,对应的变形max,极限变形 lim,0.8n 保证不并紧,弹簧刚度,弹簧势能 E,一般取 Fmax 0.8Flim,拉伸弹簧的特性曲线,（1）没有预应力,特性曲线通过坐标原点,特性曲线不通过坐标原点。,拉伸弹簧的特性曲线,（2）有预应力,若工作载荷小于克服预应力所需的初拉力F0，则弹簧不会变形；只有当FF0时弹簧才开始变形。,故截面BB上的载荷可近似取为：,弹簧受轴向载荷F时，作用在轴向截面AA上的有,扭矩 T=FD2/2,轴向力 F,在法面BB上的力有,横向力 F “,

8、轴向力 F,弯矩 M=Tsin,扭矩,=59 sin0, cos1,扭矩 T=FD2/2,=Fcos,=Fsin,T=Tcos,横向力 F,三、弹簧受载时的应力与变形,簧丝受力分析,截面受力,剪切应力,弹簧的应力,扭切应力,合成应力,C旋绕比，或弹簧指数。,未考虑簧丝曲率的应力,由于0.5/C远小于1，故由F引起的剪切应力可忽略。,若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响，实际应力分布与理论分析有差别。,实践证明，弹簧内侧m点最容易产生破坏。,弹簧的曲度系数,强度条件,设计公式,其值可直接查表下表可得,引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响，得,弹簧的变形,在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变

9、形，取微段分析,微段轴向变形量d,C ,k,C值过小制造困难，内侧应力；,常用值 C=58 。,C值过大弹簧容易颤动。,n为有效圈数,G-材料的切变模量：,根据材料力学有关圆柱 螺旋弹簧变形的计算公式,钢 G=8104 MPa, 青铜 G=4104 MPa,弹簧的最大变形量：,（1）对于压缩弹簧和无预应力拉伸弹簧,（2）对于有预应力的拉伸弹簧,拉伸弹簧的初拉力取决于材料、簧丝直径、旋绕比和加工方法。可按右图选取。,初拉力的计算,四、弹簧设计计算步骤,设计要求,有足够的强度,符合载荷变形曲线的要求（刚度要求）,不发生侧弯(失稳),已知条件：最大工作载荷Fmax和相应的变形max，其 它要求（如工

10、作温度、安装空间的限制等）,计算步骤：,(1)选择弹簧材料及结构形式；,(3)根据安装空间初设弹簧中径D，由C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力；,(4)试算簧丝直径,(2) 选择旋绕比C，通常可取C 5 8，并算出补偿系数K值；,(5)根据变形条件求出弹簧工作圈数,对于有预应力的拉伸弹簧,对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧,(6) 检查D2、D1、H0是否符合安装要求等;,(7) 验算,强度验算,振动验算,稳定性验算,强度校核,(a)疲劳强度校核,F1安装载荷；,1预压变形量；,F2最大载荷；,2最大变形量；,强度条件,当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取SF=1.31.7；

11、 当精确性低时，取：SF=1.82.2。,0的含义按下页表选取,(b)静强度校核,强度条件,当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取： SS =1.31.7； 当精确性低时，取： SS =1.82.2。,振动验算,对于承受变载荷的弹簧，当加载频率很高时， 容易引起弹簧的谐振而导致弹簧破坏。因此要进行振动验算，以保证工作频率远低于基本自振频率。,圆柱螺旋弹簧的基本自振频率为,将kF和mS代入后，可得,其中弹簧刚度,弹簧质量系数,为避免弹簧发生严重振动，要求,当不能满足以上要求时，应重新设计，增大kF或减小mS。,失稳,当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。,高径比 b= H0 / D2

12、, 5.3 两端固定的弹簧, 3.7 一端固定，一端自由转动, 2.6 两端自由转动,稳定性验算,稳定条件 Fc=CukFH0Fmax,其中 Fc 稳定时的临界载荷；,Cu不稳定系数,失稳,注意： 导杆、导套与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。,内部加装导向杆 或外部加导向套,若Fc Fmax，则要重新选取参数，以保证弹簧的稳定性。如果受条件限制，不能改变参数时，可采取如下措施,一、圆柱螺旋扭转弹簧的结构,结构:,特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。,16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算,扭转弹簧的轴向长度 H0=n(d+0)+2Hh,n有效圈数；,0 轴向间距，一般取0 =0.

13、10.5 mm,d簧丝直径;,2Hh 挂钩长度;,二、扭转弹簧的特性曲线,在材料的弹性极限内，扭转弹簧的载荷(扭矩)与变形(转角) ，特性曲线也是呈线性变化。,Tlim 、lim 极限工作扭转及极限转角;,Tmax 、max 最大工作扭转及转角;,Tmin 、min 最小工作扭转及转角;,一般取 Tmin =(0.10.5) Tmax 。,应用实例：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保持电刷的接触压力等。,强度条件,扭转变形,W截面系数, 1.25,E材料弹性模量，I簧丝截面惯性矩， n弹簧有效圈数， D2弹簧中径 。,三、圆柱螺旋扭转弹簧的计算,在扭矩T作用下，簧丝任意截面BB内的载荷为

14、,弯矩 M=Tcos,因为很小，则可认为扭簧只承受弯矩 MT,扭矩 T=Tsin,刚度,（1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。,（2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载能力。,（3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减小而抱轴。,设计要点：,已知条件：最大工作载荷Fmax和相应的变形max，其 它要求（如工作温度、安装空间的限制等）,设计确定：弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧 的螺旋升角和长度等。,四、圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤,计算步骤：,(1)选择弹

15、簧材料及许用应力，以及扭簧的结构形式；,(3)根据安装空间初设弹簧中径D，由C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力；,(4)试算簧丝直径d,(2) 选择旋绕比C，通常可取C 5 8，并算出补偿系数K1值；,检查尺寸是否合适。,(5)根据变形条件求出弹簧工作圈数,(6)计算弹簧丝长度,环形弹簧,板 簧,潘存云教授研制,16-5 其它弹簧简介,涡卷弹簧,碟形弹簧,潘存云教授研制,一、碟形弹簧,结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用,载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。,特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。,重要特性：当h/t1.5时，中间一段接近于水平。,利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。,潘存云教授研制,加载,卸载,碟形弹簧组合形式,对合式组合弹簧,变形量增加，承载力不变。,由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。, 吸振能力,复合式弹簧：,叠合式组合弹簧,摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振,在变形量不变时，承载力大大增加 。,摩擦