机 械 设 计 基 础第 14 章弹 簧学习要求本章要求学生掌握圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构、制造及设计计算14.1弹簧的功用和类型PPT模板下载： 弹簧的功用和类型弹簧是机械设备中广泛应用的一种弹性元件它是利用材料弹性变形的特点,通过变形提供弹性力和储存能量进行工作的对弹簧的主要要求是弹性好,能多次重复地随外载荷的大小做相应的弹性变形,卸载后又能立即恢复原状PPT模板下载： 弹簧的功用和类型14.1.1 14.1.1 弹簧的功用弹簧的功用弹簧的主要功用如下:(1)控制机构的运动或零件的位置,如离合器、凸轮机构、阀门及调速器中的弹簧2)缓冲及吸振,如汽车、火车车厢下的减振弹簧,各种缓冲器中的弹簧3)储存能量作为动力源,如机械钟表、仪器、玩具等使用的发条,枪栓弹簧4)测量力和力矩,如弹簧秤、测力器中的弹簧等PPT模板下载： 弹簧的功用和类型14.1.2 14.1.2 弹簧的类型弹簧的类型弹簧的种类很多,按其形状的不同可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等1.螺旋弹簧螺旋弹簧螺旋弹簧是用金属丝按螺旋线卷绕而成的按照所能承受载荷的不同,螺旋弹簧分为拉伸弹簧图14-1(a)、压缩弹簧图14-1(b)、(c)、(d)和扭转弹簧图14-1(e)等。
PPT模板下载： 弹簧的功用和类型14.1.2 14.1.2 弹簧的类型弹簧的类型2.环形弹簧和碟形弹簧环形弹簧和碟形弹簧环形弹簧和碟形弹簧都是压缩弹簧,在工作过程中,其一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上,因此具有很强的缓冲吸振能力,多用于重型机械的缓冲装置中,如图14-2(a)和图14-2(b)所示PPT模板下载： 弹簧的功用和类型PPT模板下载： 弹簧的功用和类型14.1.2 14.1.2 弹簧的类型弹簧的类型3.平面涡卷弹簧平面涡卷弹簧平面涡卷弹簧又称盘簧,其轴向尺寸很小,常用作仪表和钟表的储能装置,如图14-2(c)所示PPT模板下载： 弹簧的功用和类型14.1.2 14.1.2 弹簧的类型弹簧的类型4.板弹簧板弹簧板弹簧是由许多长度不同的钢板叠合而成的,主要用作各种车辆的减振装置,如图14-2(d)所示14.2弹簧的材料、许用应力和制造PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造14.2.1 14.2.1 弹簧的弹簧的材料材料工作性质和条件对弹簧材料的要求是多方面的为保证弹簧的变形始终在弹性范围内,弹簧材料必须具有较高的弹性极限;对于经常承受交变或冲击载荷的弹簧,其材料还应具有较高的疲劳极限和足够的韧性;为了便于制造,弹簧材料还要具有良好的塑性和热处理性能等。
PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造14.2.2 14.2.2 许用应力许用应力弹簧丝常用材料的许用应力、特点及应用列于表14-1中许用应力与载荷作用次数在106 次以上的变载荷属于类载荷,如内燃机阀门弹簧、电磁闸瓦制动的载荷;作用次数在103105 次的变载荷及冲击载荷属于类载荷,如调速器弹簧、一般车辆弹簧受到的载荷;作用次数在103 次以下的变载荷(基本为静载荷)属于类载荷,如一般溢流阀弹簧、摩托车摩擦式安全离合器弹簧等受到的载荷PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造14.2.3 14.2.3 圆柱螺旋压缩圆柱螺旋压缩(拉伸拉伸)弹簧的结构弹簧的结构1.圆柱螺旋压缩弹簧的结构圆柱螺旋压缩弹簧的结构如图14-4所示,直径为d的弹簧丝沿中径D旋绕,旋向为右旋(一般应采用右旋),螺旋升角为;在自由状态下,高度为H0,节距为t,各圈之间有适当的间距,以便弹簧受压时有足够的变形空间,即在最大载荷作用下,各圈之间仍保留一定的间距1,一般推荐1=0.1d0.2mmPPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造14.2.3 14.2.3 圆柱螺旋压缩圆柱螺旋压缩(拉伸拉伸)弹簧的结构弹簧的结构2.圆柱螺旋拉伸弹簧的结构圆柱螺旋拉伸弹簧的结构其螺旋结构与圆柱螺旋压缩弹簧基本相同,不同的是在自由状态下,圆柱螺旋拉伸弹簧各圈相互并拢,即间距等于零。
这类弹簧可分为无预应力和有预应力两种:前者的各圈并紧,且相互间没有压紧力,故在自由状态下弹簧丝中没有预应力;后者是在卷绕成型时,使弹簧丝绕其自身轴线扭转,制成弹簧的各圈之间具有一定的压紧力,故在自由状态下弹簧丝中存在着一定的预应力PPT模板下载： 弹簧的材料、许用应力和制造14.2.4 14.2.4 圆柱螺旋弹簧的圆柱螺旋弹簧的制造制造圆柱螺旋弹簧的制造过程包括卷制、端面加工或挂钩的制作、热处理及工艺性试验等环节圆柱螺旋弹簧被大量生产时,卷制工作在自动卷簧机上进行;以单件或小批量生产时,则常在卧式车床或手工旋绕器上把弹簧丝卷绕在芯棒上成型卷制分冷卷和热卷两种如果簧丝直径较小(通常在8mm 以下)或弹簧直径较大但易于卷绕,那么一般采用冷卷法14.3 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.1 14.3.1 弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线工作在弹性变形范围内的弹簧在承受轴向载荷后将发生弹性变形如图14-7所示,圆柱螺旋压缩弹簧受载荷F作用而产生压缩变形若取纵坐标表示弹簧承受的载荷,横坐标表示弹簧的弹性变形,可得到弹簧的载荷-变形曲线,这样的曲线称为弹簧的特性曲线。
PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.1 14.3.1 弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线为了使弹簧稳定地处于工作位置上,通常预加一个最小工作载荷F1,这时弹簧的变形量为1,长度为H1;当弹簧受到最大工作载荷F2 作用时,变形量为2,长度为 H2最大工作载荷下的变形量2 与最小工作载荷下的变形量1 之差,称为弹簧的工作行程,用h表示,即PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.2 14.3.2 应力、变形和稳定性计算应力、变形和稳定性计算下面讨论的是在类载荷(静载荷)作用下弹簧的应力、变形和稳定性计算1.应力计算应力计算应力计算的目的是确定弹簧丝的直径图14-9(a)所示为被截去下部的压缩弹簧,截面通过弹簧的轴线弹簧在最大工作载荷F2 作用下,该截面上作用着剪力F2 和扭矩T=F2*D2PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.2 14.3.2 应力、变形和稳定性计算应力、变形和稳定性计算2.变形计算变形计算变形计算的目的是确定弹簧的有效圈数,即工作圈数由材料力学可知,有效圈数为n的压缩弹簧在载荷F 的作用下,其轴向变形量为于是弹簧圈数PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.2 14.3.2 应力、变形和稳定性计算应力、变形和稳定性计算2.变形计算变形计算式中,为弹簧变形量,mm;G 为弹簧材料的切变模量,MPa,钢 G=8104 MPa,青铜G=4104 MPa。
式(14-6)、式(14-7)适用于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧对于有预应力的拉伸弹簧,应以F-F0 代替式中的F由式(14-7)可知,弹簧刚度PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.2 14.3.2 应力、变形和稳定性计算应力、变形和稳定性计算3.压缩弹簧的稳定性计算压缩弹簧的稳定性计算对于圆柱螺旋压缩弹簧,当高度较大、弹簧直径较小时,受力后容易失去稳定性而产生较大的侧向弯曲图14-10(a),使得弹簧不能正常工作,可以通过加装导柱和套筒加以解决,如图14-10(b)、(c)所示PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.2 14.3.2 应力、变形和稳定性计算应力、变形和稳定性计算3.压缩弹簧的稳定性计算压缩弹簧的稳定性计算将弹簧的自由高度 H0 与中径D 的比值称为高径比,b=H0/D为了便于制造和避免出现失稳现象,通常建议弹簧的高径比b按下列情况选取:(1)弹簧两端均为自由转动端图14-11(b)时,b2.62)弹簧两端均为固定端图14-11(a)时,b5.33)弹簧两端一端固定而另一端自由转动时,b3.7PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.3 14.3.3 弹簧的主要参数和几何尺寸弹簧的主要参数和几何尺寸计算计算圆柱螺旋弹簧的主要参数及几何尺寸计算公式列于表14-4中,部分参数及几何尺寸的标准系列值见表14-5,设计时应尽量选取标准值。
PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算PPT模板下载： 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算14.3.4 14.3.4 弹簧的设计计算弹簧的设计计算设计弹簧时应满足的要求是有足够的强度,符合载荷-变形特性曲线的要求,压簧不侧弯等通常的已知条件为弹簧所承受的最大工作载荷F2 和相应的变形量2,以及空间尺寸的限制、工作温度要求等谢谢聆听 请多指教。