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1、机械设计基础,第十六章 弹簧设计,重点内容,常用弹簧的类型、特点、应用、材料及制造工艺,圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算,一、弹簧的功能,1.缓冲吸振-车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧，通常具有较大的弹性变形，可以吸收较多的冲击能量。,16-1 弹簧的功能、类型及特性曲线,2.控制运动-在变形范围内作用力变化不大。,3.储存和释放能量-钟表中的弹簧。既有较大的弹性，又有稳定的作用力。,4.测量力或力矩-弹簧秤中弹簧。具有稳定的载荷-变形性能。,二、弹簧的分类,弹簧,圆柱螺旋弹簧,圆锥螺旋弹簧,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,蝶形弹簧,环形弹簧,弯曲弹簧,弹簧特性曲线：弹簧的载荷
2、(F、T)-变形(、)曲线,常用金属弹簧类型、特性曲线、特点和应用见表16-1,16-2 弹簧的材料、许用应力和制造,一、弹簧的材料和许用应力,1.材料要求,2.常用材料,碳素弹簧钢,锰弹簧钢,合金弹簧钢,常用金属弹簧材料的性能，见表16-2、16-3。,3.选择原则,功能及重要程度,工作条件,载荷的性质和大小,加工工艺和热处理,经济性,二、圆柱螺旋拉压弹簧的制造和端部结构,1.制造工艺过程,(a) 卷绕,冷卷：直径小于810mm，常温下卷成，只进行回火处理，以消除内应力。,热卷：直径较粗，热卷温度一般在8001000, 然后进行淬火及回火处理。,(b) 两端面加工(压缩弹簧)或制作挂钩(拉伸
3、弹簧),(c) 热处理,(d) 工艺试验,必要时，强压或喷丸,2.端部结构,见表16-4,最小工作载荷Fmin ,最小变形min； 最大工作载荷Fmax最小变形min。,Fmin=(0.30.5)Fmax,在Fmax的作用下，max ,极限载荷 Flim，极限变形lim。 Flim可根据lim求出。,一般取Fmax 0.8Flim,lim,max,min,F,自由高度H0,H1,H2,Hlim,Fmin,Fmax,Flim,一. 特性曲线,16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算,1. 压缩特性曲线,2.拉伸弹簧的特性曲线,(a) 没有预应力:特性曲线通过坐标原点(卷绕时，在弹簧中没有产生的预应力
4、),F,min,Fmin,max,lim,Fmax,Flim,H0,H1,H2,Hlim,2.拉伸弹簧的特性曲线,F,min,Fmin,max,lim,Fmax,Flim,H0,H1,H2,Hlim,F0,(b) 有预应力:特性曲线没有通过坐标原点(卷绕时，在弹簧中产生的预应力),弹簧中径D2，弹簧丝的直径d，轴线作用力为F。 弹簧受轴向载荷F时，作用在轴向截面A-A上的力有：轴向力F，扭矩T=FD2/2。,二、强度和刚度计算,1. 弹簧中的应力,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,已知条件如图,截面受力：,剪切应力：,扭剪切应力：,设计：潘存云,设计：潘存云,C-旋绕比，或弹簧指数。,-弹簧的曲度系数,强度条件：,截面总切应力：,设计公式：,截面受力：,剪切应力,扭切应力,总应力,C-旋绕比，或弹簧指数。,若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响:,K为弹簧的曲度系数,2. 强度条件,设计公式,强度校核条件,3. 弹簧的刚度,拉压时弹簧的轴向变形为,弹簧的刚度k为,弹簧的工作圈数n为,G为弹簧材料的剪切模量,三、结构尺寸计算 表16-6,
