弹簧与机架零件宋宝玉版

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1、第十三章 弹簧13.1 弹簧概述弹簧是一种弹性元件，具有弹性大、易变形的特点。 可以多次重复地随外载荷的大小而作相应的弹性变形， 卸载后又能立即恢复原状的特性，在各类机械中应用十分广泛。13.1.1 弹簧的功用1.缓和冲击和吸收振动：具有较大的弹性变形能力(汽车、火车的缓冲等) 2.控制机构的运动： 在一定变形范围内的刚度变化不大( 凸轮机构、离合器等)3.储存能量： 既要有较大的弹性，又要求作用力较稳 定。 (钟表、枪械等)4.测量力的大小： 这类弹簧要求其受力与变形呈线性关 系。（弹簧秤等）1按承受载荷的不同可分为:拉伸弹簧 压缩弹簧扭转弹簧 弯曲弹簧13.1.2 弹簧的类型和特点2按弹簧

2、形状不同可分为:螺旋弹簧 碟型弹簧环形弹簧 涡卷形盘簧 板弹簧3 按制作弹簧的材料分为三种黑色金属弹簧，如钢丝弹簧。 有色金属弹簧，如铜丝弹簧 非金属弹簧，如橡胶弹簧，空气弹簧和塑料弹簧等 。摩托车弹簧汽车弹簧F工作载荷f 变形量13.2 圆柱螺旋弹簧的材料、结构和制造13.2.1 弹簧的材料及许用应力对弹簧材料的主要要求是：1.必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧 性；2.具有良好的热处理性能,热处理后应有足够的经久不变的 弹性,且脱碳性要小;3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。弹簧主要在动载荷作用下工作，要求在受较大应力情况 下，不产生塑性变形。常用的弹簧材料：金属材料

3、：如碳素弹簧钢、合金弹簧钢（如低锰 弹簧钢、硅锰弹簧钢等）、不锈钢等。有色金属材料，如青铜丝（腐蚀环境用）。非金属弹簧材料，如橡胶、塑料、软木和空气等 。常用的金属弹簧材料在P292表13.2中可以查选。选择弹簧材料的原则 综合考虑：1）弹簧的功用； 2）重要程度； 3）工作条件，如载荷大小、性质、周围介质和工作温度等 4）热处理方法。并要参考现有设备使用的弹簧，选择出满足要求的弹簧材 料。弹簧材料的许用应力查P292表13.2和P293表13.3 按受载情况和重要程度将弹簧分为3类：I类用于承受载荷循环次数106次以上的变载荷的弹簧类用于承受载荷循环次数103106次之间的变载荷或冲击载荷以

4、及承受静载荷的重要弹簧类用于承受载荷循环次数103次以下的变载荷或承受静载荷的一般弹簧13.2碳素弹簧丝的抗拉强度极限B与弹簧丝直径d有关。13.2.2 螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程主要包括：卷绕端部及钩头制作热处理工艺实验及强化处理（1）卷绕 冷卷：d0.5mm时，两支承圈需要磨平磨平部分不应少于3/4周长，端头部分厚度一般不小于d/4。支承圈（死圈）n2 ：当圆柱螺旋压缩弹簧的两个端面圈与邻圈并 紧，无间隙，不参与变形，只起支承作用称为支承圈。支承圈数与弹簧工作圈数有关 当n 7时，支承圈数 n23/4； 当n7时，支承圈数 n213/42） 拉伸弹簧的端部结构为了安装和加载，端部做钩

5、。 （a）（d）端部和钩过渡处出现较大的弯曲应力，降低 拉簧的强度和寿命。常用于d10mm弹簧中。 （e）和（f）将挂钩和弹簧分别制造，再组装，制成附加 钩环结构，可消除这种影响。常用于弹簧受力较大的场合 。强拉强压处理后。不允许再进行其他处理，也不允许 在150oC450oC和长期振动条件下工作。（4）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。（3）热处理冷卷：低温回火处理，以消除内应力； 热卷：先淬火后回火处理。加工设备数控电脑卷簧机数控万能电脑卷簧机数控高速扭簧机数控电脑弹簧端面磨床13.3 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计圆柱形压缩螺旋弹簧与拉伸螺旋弹簧的设计计算 内容主要有：1、确定结构形

6、式和特性线；2、选择材料和确定许用应力；3、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；4、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；5、确定弹簧的基本参数、尺寸等。圆柱螺旋压缩弹簧 圆柱螺旋拉伸弹簧虽然压簧与拉簧结构不同，但是变形和作用力的关 系基本相同，以讨论压簧的设计计算为主，方法也适 用于拉簧。1 主要几何参数：中径D，外径D2，内径D1，节距p，螺旋 升角，弹簧丝直径d，自由高度H0和弹簧工作圈数 n 等。13.3.1 弹簧的几何参数和尺寸2 弹簧指数（旋绕比）C3 弹簧总圈数 n1：n1nn2n 工作圈数n2 支承圈数表13.6 圆柱形螺旋压缩（拉伸）弹簧的几何尺寸P29613.3.2 弹簧的特性线

7、1 表示载荷与相应变形之间关系的曲线称为弹簧的特性线 。2 弹簧的载荷变量和变形变量之比称为弹簧的刚度。用符 号 KF 表示：1）定刚度弹簧 KF 为常数，特性线为直线。2）变刚度弹簧KF 为变数， 特性线曲线或折线。刚度特性线上某点的斜率斜率大刚度大。3 圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线1与2之差称为弹簧的工作行 程Flim为弹簧的极限工作载荷，在 它的作用下弹簧丝内的应力达 到了弹簧材料的屈服极限。F1 最小工作载荷F2 最大工作载荷弹簧的最小工作载荷通常取为最大工作载荷通常取弹簧间隙F2作用下的间隙余 隙极限工作载荷Flim 的大小应保证弹簧丝中所产生的极 限切应力 在以下范围内：对于

8、类弹簧对于类弹簧对于类弹簧13.3.3 弹簧的强度计算A-A平面：通过弹簧轴线的平 面,弹簧丝的剖面呈椭圆形。B-B平面：垂直于弹簧丝的平 面，弹簧丝的剖面呈圆形。两剖面间夹角为弹簧的螺旋 升角 当弹簧受载荷F作用时：A-A剖面：转矩 剪切力 1 弹簧的受力而在B-B剖面上则作用有转矩 弯矩切向力法向力因为很小（一般50 90 ），可以近似认为起主要作用的外载荷就为：T和Ft该剖面上的应力可近似的取为 如把弹簧丝的曲率影响忽略不计，可以近似地视为直梁，则:转矩T引起的切应力切向力 引起的切应力2 弹簧的应力在弹簧丝内侧a点的合成应力最大为：考虑弹簧升角和曲率的影响引入一个修正系数K,其强度条件

9、式中K称为曲度系数当按强度条件计算弹簧丝直径d时,应以最大工作载荷 代替式 中的 ,则得mm与弹簧丝直径d有关，因此应反复计算。C的取值：为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能 太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小 。当d一定时，C值越小，刚度越大（后面讲到），曲率越大，内外侧应力差越大。取值见P299表13.7, C值的大小跟簧丝直径有关 。13.3.4 弹簧的变形和刚度由材料力学可知，圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生 的轴向变形量为：（1）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧G切变模量（表13.2 ）（2）对于有初应力的拉伸弹簧F0为初拉力为预应力弹簧的工作圈

10、数n的多少取决于弹簧的变形或刚度一般定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为影响弹簧刚度的因素很多：C的影响很大此外，G,d,n也有影响13.3.5 弹簧的稳定性压缩弹簧的自由高度 H0 与中径 D 之比， 称为高径比，即 为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b值 应满足下列要求：两端固定时一端固定另一端自由转动时两端均自由转动时当b值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。保持稳定时的临界载荷由下式计算为保证弹簧的稳定性，最大工作载 荷F2与临界载荷Fc 之间应满足以下 关系不稳定系数CB如果不满足要求可以改变b， 提高Fc若受条件限制不能 改变参数时，可加 导杆或导套或采用组合弹簧组合式弹簧减振器13.3.

11、6 圆柱形螺旋弹簧的设计设计的一般步骤如下：1.选择材料和确定许用应力。(1)初选弹簧指数C(2)根据初选C值及安装空间估计中径 D ,估取弹簧丝直径(3)选择材料,确定许用应力1 受静载荷圆柱螺旋弹簧的设计2.根据强度条件试算弹簧丝直径 。3.根据变形条件计算弹簧工作圈数。4.计算弹簧主要尺寸(表13.6)。5.验算稳定性。6.绘制弹簧工作图（必须包 括特性线）。两端固定时一端固定另一端自由转动时两端均自由转动时P302 例 13.1 2 受交变载荷的弹簧设计受交变载荷的弹簧除了按最大工作载荷及变形进行设计计 算外，还应根据具体情况进行疲劳强度、静强度安全系数 验算和振动验算1） 疲劳强度验

12、算疲劳劳强度安全系数为为式中 0 弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，MPa，按载荷循环次数N由表13.9查取min最小扭应力，MPa；Fmin最小工作载荷，N；max最大扭应力，MPa；Fmax最大工作载荷，N； S 许用安全系数，当弹簧计算和材料 的性能数据精确度高时，取1.31.7；精确度较低时，取1.82.2。2、静强度安全系数验算 用峰值载荷进行静强度校核，静强度安全系数为式中 弹簧材料的许用切应力，MPa，由表13.2查取； Ss静强度许用安全系数，取值与S相同。3、振动验算受高频率循环载荷的圆柱螺旋弹簧，当载荷循环频率接近 或等于弹簧的自激振动固有频率时，会发生共振而导致破坏。因 此

13、，应对弹簧进行振动验算，以保证载荷激励频率远低于其基本 自激振动固有频率。圆柱螺旋弹簧的基本自激振动固有频率f（在弹簧两端固定的 情况下） 为：式中 f弹簧的基本自激振动固有频率，Hz；c弹簧刚度，N/m；m弹簧质量，kg。弹簧的基本自激振动固有频率ffg工作频率当设计受压载荷较大而尺寸受安装条件限制的螺旋压缩弹簧,或为了改善弹簧的性能，可采用组合弹簧。常用几个直径不等的弹簧同心配置，构成组合弹簧这种弹簧与普通单个弹簧相比，减少了弹簧重量且由于钢丝直径 小，便于制造。组合弹簧补充知识圆柱螺旋扭转弹簧常用于压紧、储能和传递转矩等，使用较为广泛。如门窗铰链弹 簧、汽车启动装置弹簧、电动机的电刷等蝶

14、形弹簧蝶形弹簧是由薄钢板冲压而成的无底蝶形弹簧片构成用于空间尺寸小，外载荷较大的缓冲减震装置中碟形弹簧的应用环形弹簧环形弹簧是由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一种压缩弹簧是一种强力弹簧，具有很强的缓冲吸振作用平面涡卷弹簧板 簧板簧是由若干片长度不等，曲率不同的弹簧钢板重叠起来 ，并加装弹簧夹等组成，多用于车辆的悬挂装置橡胶弹簧近年来，橡胶弹簧在国内、外许多设备及机械工程中的 应用日益广泛，如仪器的座垫、发动机的支承以及机器 的减震器等与金属弹簧相比，橡胶弹簧的主要优点是：（1） 同一橡胶弹簧能同时承受多向载荷，形状不受限制 ，各方向的刚度可以根据设计要求选择。对简化车辆悬挂 系统的结构具有显

15、著优点。（2）单位体积存储能量较高，能产生较高的内阻，这对 于突然冲击和高频振动的吸收以及隔音具有良好的效果。（3）弹性模量远比金属小，可得到较大的弹性变形，易 实现理想的非线性特性。（4）结构简单，安装拆卸方便，且无需润滑油，有利于 维护和保养。其缺点是耐高、低温和耐油性比钢弹簧差。橡胶弹簧及其特性线空气弹簧空气弹簧是在一密闭容器中，储入压力空气，利用空气的不可压缩性实现弹簧作用。空气弹簧与金属弹簧相比，其优点是:能同时承受轴向和径向载荷；通过高度控制阀，可使空气弹簧的工作高度在任何载荷条件下保持一定；可以将特性线设计成理想的形状；吸收高频振动和隔音的性能好，具有良好的弹性等。为防止振动公害，空气弹簧是一个重要的发展方向。轨道车辆专用的空气弹簧由气 囊、相配的附加簧(应急簧)和 专用金属件组成。通过组合使 用不同气囊(半鼓型气囊、有束 带型气囊及碟型气囊)与不同的 附加簧(如层叠簧、锥型簧和所 谓的半沙漏式弹簧)几乎可以满 足任何特殊负荷的需求本章小结1）了解弹簧的功用、分类、材料及许用应力的确定。2）掌握圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的主要几何参数、 特性线、强度计算与刚度计算的目的和计算公式。3） 掌握用强度条件确定d,用刚度条件计算n4) 掌握各个参数对弹簧强度和刚度的影响第十四章 机架零件14.1 概 述14