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1、第十六章 弹 簧,弹簧是内燃机设计中常遇到的一种弹性元件。,例:气门弹簧,主离合器弹簧,制动器,气动、液压装置的各种控制阀(压力阀、电磁阀、安全阀)弹簧等。要求掌握弹簧的设计方法。,16-1 弹簧的功用和类型,弹簧特点:刚性小、弹性大。(受力后得到很大的弹性变形,外力消失后,变形即消失,能恢复原状。),1、减振和缓冲:车身弹簧、缓冲器弹簧; 2、测量力的大小:弹簧称; 3、贮存及输出能量:钟表、仪表弹簧; 4、控制机构的运动:安全阀、离合器。,一、弹簧的功用,二、弹簧的类型,1、按承受的载荷不同分:拉伸、压缩、扭转、弯曲; 2、按形状不同分:螺旋、环形、碟形、盘簧、板簧。,最常用的为圆柱形螺旋
2、弹簧。本章仅介绍该弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。,16-2 螺旋弹簧的制造、材料及许用应力,一、制造,螺旋弹簧的卷制方法:分为冷卷、热卷两种。,1、冷卷法:d(810)mm的碳素弹簧钢丝(经预先热处理后的冷拉钢丝)。冷卷低温回(消除内应力),2、热卷法:d(810)mm的碳素弹簧钢丝或合金钢丝(太硬)。 热卷淬火回火,强压处理:一般可提高承载能力20 。,喷丸处理:变载荷弹簧可提高承载能力3050 ,提高使用寿命22.5倍。,二、材料及许用应力,要求:弹性极限、疲劳极限高,具有足够的韧性和塑性,可热处理性好。,常用弹簧材料:,工艺试验:按技术要求进行精度、冲击、疲劳试验。,注意:簧丝表面
3、必须光洁,无裂纹、伤痕,表面脱碳,否则会影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。,1、碳素弹簧钢,分为、a、 四组,组强度高,a比 有更好的塑性。,优点:价格便宜,材料来源方便。,缺点:弹性极限低,多次重复变形后易失去弹性, 不能在高于120 C条件下工作。,2、低锰弹簧钢(如 65Mn),优点:淬透性好,强度高,价格便宜。用于尺寸 不大的一般机械的弹簧。,缺点:淬火后易产生裂纹及热脆性。,3、硅锰弹簧钢(如 60Si2Mn),钢中加入了硅可显著提高弹性极限,提高回火稳定性,但含硅量高时,表面易于脱碳,而锰的脱碳性小,故钢中加入硅、锰这两种元素。,用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。,4、铬钒钢(如 50
4、CrVA),钢中加入钒的目的是细化组织,提高钢的强度和韧性,该材料耐疲劳,抗冲击性能良好, 能在 40350 C 下工作,但价格较贵。,用于航空发动机,如柱塞油泵弹簧。,5、其它材料,不锈钢、青铜:防腐、防磁、导电性(用于化工设备、腐蚀性介质中)。,弹簧材料的许用应力:载荷性质不同、重要性不同,则安全系数亦不同。,分成三类:,类:受变载荷作用次数在106以上的重要弹簧。(气门弹簧、制动弹簧),类:受变载荷作用次数在103 105以上或受冲击 载荷的弹簧。(调速器弹簧、车辆弹簧),类:受变载荷作用次数在103以下(静载荷)的弹簧。(安全阀弹簧、离合器弹簧),16-3 圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的
5、设计计算,一、几何参数及特性曲线,1、压缩弹簧,死圈:弹簧端部只起支承作用,不参与变形的圈。,当n(工作圈数) 7时,为 0.75圈;n7时,为11.75圈(每端),按端部结构分:,Y :并紧并磨平。,Y :并紧不磨平。,Y :并紧,锻平(热卷) 亦可磨平。,重要场合: Y型,保证垂直。,结构尺寸:,d 弹簧直径,(关键尺寸)d, 强度。,D2 中径 D2 =C d C 弹簧指数 C = D2 / d,D 外径 D = D2 +d,D1 内径 D1 = D2 d, 轴向间隙 =td,n 工作圈数(有效圈数) n2,n1 总圈数 n1=n+(22. 5) 冷卷 n1=n+(1. 52) YI型热
6、卷,推荐n1尾数为1/2圈,一般:d0.5mm可不磨平, d0.5mm可磨平。,L展开长度,特性曲线: 为保证弹簧具有弹性,即不产 生永久变形,弹簧应在弹性极 限内工作。,特性曲线表示载荷P与变形的关系曲线.,Pmin最小工作载荷(使弹簧可靠地安装),亦称 安装载荷。一般 Pmin=(0.10.5) Pmax,Pmax最大工作载荷(达到或接近许用应力值)。,Plim 极限载荷(达到材料的弹性极限)。,H1、 H2、 H3三种载荷下对应的弹簧高度。,min、max、lim 三种载荷下对应的 压缩变形量。,h弹簧的工作行程 h= maxmin,特性曲线: i. 必须画在弹簧工作图上, 作为检验和试
7、验的依据。 ii. 弹簧设计时,必须利用 的关系。,2、拉伸弹簧,拉伸弹簧空载时各圈相互并紧(即=0)。端部制有挂钩,以便安装及加载。,挂钩形式:,LI、LII 型:制造方便,但过渡处弯曲应力很大。 广泛应用于d10mm的弹簧中。,L、 型:结构合理,弯曲应力小。 用于受力较大的弹簧。,几何参数: 主要参数: d,D2=C d,n=n1 其它参数: D,D1, =0,t=d,H0,L,特性曲线: 无初应力的拉伸弹簧: 特性曲线同压缩弹簧。 有初应力的拉伸弹簧: 当承受载荷时,首先 要克服假想变形量 x, 弹簧才开始伸长。 一般取 P0=(0.750.85)Pmin,二、螺旋弹簧受载时的应力及变
8、形,1、应力,拉伸弹簧与压缩弹簧在轴向载荷 P 作用下,弹簧丝的受力情况是完全一样的,下面仅分析压缩弹簧的受力情况。,沿弹簧轴线切开,弹簧丝截面椭圆。 螺旋升角=59,很小, 近似圆形。将轴向载荷P向剖面中心简化。,叠加后内侧(m)最大应力为:,引进补偿系数(曲度系数)K:考虑升角及曲率对弹簧丝中应力的影响,忽略P的 影响。,弹簧丝内侧最大应力:,2、变形,由材料力学得到弹簧受轴向载荷P后,轴向变形量 为:,则当Pmax作用下的最大轴向变形max为:,i. 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧:,ii.对于有预应力的拉伸弹簧:,式中:初应力 推荐初应力0 由图16-9选取。,3、弹簧刚度:表示使弹
9、簧产生单位变形所需的力。 (主要参数),kP,所需的力,弹簧的弹力。,影响kP的因素: kP1/C3 合理选择C以控制kP ,即控制弹簧的弹力,此外还有G,d,n等因素。,三、承受静载荷的圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的设计,静载荷的弹簧:应力循环次数在103以下,(如安全阀门、离合器弹簧)。,已知:Pmax max 结构要求(如安装空间限制等)。,设计步骤: 1 选择材料; 2 选择弹簧指数C,计算补偿系数K; 一般取C=58(不超过416) 计算 3 根据安装空间设计弹簧中径D2,估计弹簧丝直径 d= D2/C并由表16-2,取许用应力。,4 试算弹簧丝直径d: 如d与估计的d相差太远时,应重
10、选d d,5 根据变形条件求弹簧工作圈数 n: 拉伸弹簧: 压缩弹簧:,6 求弹簧的尺寸D,D1,H0,检查是否符合安装要 求等,不符合则改选参数(C值),重新设计。,7 验算稳定性 当压缩弹簧长度较大时(一般用细长比b=H0/D2 表示)受力后容易失去稳定性。 要求:当两端固定时:b5.3 当一端固定,另一端自由转动时: b3.7 当两端自由转动时: b2.6,当大于上述数值时,应进行稳定性验算。 PC=Cu kP H0Pmax 式中:Pc 临界载荷; Cu不稳定系数 查图16-11;,如PcPmax时,应采取以下措施: i. 改变b值,提高Pc值,以保证弹簧的稳定性; ii.加装导杆或导套
11、。,8 弹簧的结构设计。按表16-4计算出全部尺寸。,9 绘制弹簧工作图。,四、承受变载荷的圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的 设计,对于承受变载荷的重要弹簧,除按Pmax, max进行设计外,还应进行强度验算及振动验算。,1 强度验算 对于N103的变载荷重要弹簧:进行疲劳强度安全 系数计算; 对于N103的变载荷重要弹簧:进行静强度安全系 数计算。,1) 疲劳强度验算,弹簧在变载荷 作用下的应力 变化状态, 如图16-12所示。,式中: 0弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限;,疲劳强度的安全系数nca可按下式近似计算:,2)静强度验算,式中:s 材料的剪切屈服极限; ns设计安全系数,同疲劳强度验算时nF。,2 振动验算 保证其临界工作频率fw远低于其基本自振频率 fb,以避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏。,nF弹簧疲劳强度的设计安全系数; 计算及材料性能数据精确性高时,取nF=1.31.7 计算及材料性能数据精确性低时,取nF=1.82.2,fw一般预先给定,如不满足要求时,应增大 kp 或减小ms,重新设计之。,