机械设计--18-弹簧

第十八章弹簧这类弹簧要求在一定的变形范围内刚度变化不大。18.1弹簧的功用和类型一、弹簧的主要功用1.控制机构的运动或零件的位置2.缓和冲击和吸收振动汽车、火车中的缓冲弹簧，这类弹簧具有较大的弹性变形能力。3.储存能量钟表、仪器中的弹簧，这种弹簧既要求有较大的弹性，又要求作用力较稳定。4.测量力的大小测力仪及弹簧秤中的弹簧，这类弹簧要求其受力与变形呈线性关系。二、弹簧的种类按承受载荷的不同可分为——拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。按弹簧形状的不同可分为——螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。18.2圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力和变形一、弹簧的应力D/2D/222FFFFAATmmax在通过弹簧轴线的截面(轴截面)上，弹簧丝的剖面为椭圆形。在垂直弹簧丝的截面(法截面)上，弹簧丝的剖面为圆形。因为弹簧的螺旋升角α=5~90，可近似把椭圆形视为圆形。即把通过弹簧轴线的轴截面近似认为弹簧丝的法截面。以压缩弹簧为例。根据力的平衡，弹簧丝的剖面上作用着力F及扭矩T=F·D2/2。该剖面上的应力:32322816/2/4dFDdFDWTdFAFTTF)211(8)21(8482232232maxCdFCDddFDdFdFD弹簧丝截面上的最大切应力发生在其内侧，即靠近弹簧轴线的一侧，（令C=D2/d称为旋绕比又称弹簧指数），则最大切应力为:FTCCCkdFk615.04414C82max考虑弹簧升角α和曲率的影响，引进曲度系数k,则最大切应力及其强度条件近似为：式中第一项反映了弹簧丝曲率对扭切应力的影响；第二项反映了因剪切应力不均匀分布对内侧应力的影响。二、弹簧的变形在轴向载荷作用下，弹簧产生轴向变形量，即：GdnFCGdnFD343288式中：n—弹簧的工作/有效圈数;G—弹簧的切变模量弹簧刚度：使弹簧产生单位变形量所需要的载荷。nDGdnCGdFk324388弹簧的刚度是表征弹簧性能的主要参数。刚度越大，弹簧变形所需要的力就越大。影响弹簧刚度的因素：C、G、d、n。当其它条件相同时，旋绕比C越小，弹簧刚度越大；反之，则弹簧刚度越小。若C值过小，会使弹簧卷绕困难，并在弹簧内侧引起过大的应力。若C值过大，则弹簧易颤动。一般规定C≥4，通常C取值范围为4~16，常用值为5~8。18.3弹簧的材料、制造和许用应力一、弹簧的材料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；3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。常用的弹簧材料有：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金等.二、弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程主要包括：卷绕、钩环的制作或两端面的加工、热处理、工艺试验等。(1)卷绕：冷卷法，热卷法冷卷法用于弹簧丝直径10mm。预热+卷绕+低温回火。热卷法用于弹簧丝直径10mm。热卷+淬火+回火。（2）钩环的制作或两端面的加工（3）热处理（4）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。三、弹簧材料的许用应力弹簧材料的许用应力与弹簧的类型、材料、弹簧丝直径和载荷性质有关。根据变载荷的作用次数以及弹簧的重要程度将弹簧分为三类：I类—受变载荷的作用次数在106以上或很重要的弹簧。II类—受变载荷的作用次数在103~105及承受冲击载荷的弹簧。Ⅲ类—受变载荷的作用次数在103以下及受静载荷的一般弹簧。各类弹簧的许用应力见表18-1.18.4圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计一、结构尺寸和特性曲线1、压缩弹簧的结构尺寸H0—自由高度δ—各圈之间的间隙δ1—受压后的余隙d1.01支承圈(死圈):0.75~1.25圈弹簧的主要几何参数：外径D螺旋升角α中径D2弹簧丝直径d内径D1自由高度H0节距t工作圈数n弹簧指数C=D2/d压缩弹簧的结构尺寸总圈数：)5.2~5.1(1nn节距：dt间距：n8.02式中：2为最大工作载荷2F作用时弹簧的变形量螺旋升角：2Dtarctg弹簧丝展开长度cos12nDL自由高度:0H对于两端并紧不磨平的结构dnnH)1(10对于两端并紧磨平的结构dnnH)5.0(10式中（n1+1)d和（n1-0.5)d分别为两种压缩弹簧并紧时的高度。弹簧的稳定性：为了保证压缩弹簧的稳定性，应使弹簧的高径比b=H0/D2不超过许用值。1、两端固定的弹簧，b5.3;2、一端固定，另一端铰支的弹簧，b3.7。为避免弹簧失稳，应在弹簧内部加导向杆或外部加导向套。常数...2211FF2压缩弹簧的特性曲线圆柱弹簧的载荷----变形曲线，称为弹簧特性曲线对于等节距的圆柱螺旋弹簧，载荷与变形成正比。F1—最小工作载荷F2—最大工作载荷Flim—极限载荷H1、H2、Hlim—分别为对应上述三种载荷作用时的弹簧高度。lim21,,—分别为对应于上述三种载荷作用时的弹簧变形量。3拉伸弹簧的结构特点δ=0；端部有挂钩；挂钩形式有：半圆钩环，圆钩环，可转钩环，带螺旋块的挂钩等。拉伸弹簧结构尺寸的计算与压缩弹簧相同。计算弹簧丝展开长度和弹簧自由高度时应将挂钩部分的尺寸计入。二弹簧的设计计算步骤1.根据工作条件和载荷情况选择弹簧材料和确定许用应力2.选择旋绕比C、计算曲度系数k13.根据强度条件试算弹簧丝直径4.刚度计算：确定工作圈数'd][6.1`21CFkdkCGdn385.验算稳定性为了保证压缩弹簧的平稳性，弹簧的高径比不应超过许用值。当两端固定时，取b5.3一端固定，另一端自由转动时，取b3.7两端自由转动，取b2.620/DHb若b不能满足上述条件，且又受结构限制不能重选参数时，可外加导向套或内加导向杆来增加弹簧的稳定性6.结构设计计算全部有关尺寸。7.绘制弹簧工作图18.5其它弹簧简介一、圆柱螺旋扭转弹簧其承受绕弹簧轴线的外加力矩，用于压紧和储能。当扭转弹簧只受外力矩M时，若弹簧的螺旋升角很小，可认为弹簧丝只承受弯矩，则弹簧丝的最大弯曲应力及强度条件为：311d32MKWMkK1----曲度系数，K1=(4C-1)/(4C-4)；W----截面系数；[σ]----材料的许用弯曲应力；[σ]≈1.25[τ]；d---弹簧丝直径；E----材料的弹性模量；I----弹簧丝截面的惯性矩；扭转弹簧受外力矩后，产生的变形为扭转角，其计算公式为：radEInMDEIML2精度要求高的扭转弹簧，圈与圈之间应有一定间隙，以免载荷作用时，因圈间摩擦而影响其特性曲线；扭转弹簧的旋向应与外加力矩的方向一致，可提高其承载能力；扭转弹簧受载后，其平均直径会缩小，对于有心轴的，应使心轴和弹簧内径间留有足够的间隙。二、碟形弹簧碟形弹簧用薄钢板冲制而成，具有变刚度的特性；当D1、D、t一定时，随内锥高度h和簧片厚度t的比值的不同，其特性曲线也不同；当h/t=1.5时，特性曲线的中间部分接近于水平，它提供了在一定变形范围内保持载荷恒定的方法；碟形弹簧的组合应用1、对合式组合：变形量随着片数的增加而增大，但承载能力不变；2、叠合式组合：承载能力随着片数的增加而增大，但变形量不变；3、复合式组合：兼具上述两者的优点。