拉伸弹簧的设计计算

机械设计基础第四十八讲主讲教师：曾平学时：４８第十五章弹簧学习内容学习要求思考题与习题§15—1概述§15—2弹簧的制造、材料和许用应力§15—3圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算学习内容学习要求：1.了解弹簧的功用、种类结构材料和制造工艺等基础知识；2.了解弹簧的工作特点、特性曲线、刚度和稳定性等基本概念；3.熟悉圆柱螺旋压缩、拉伸弹簧的设计计算，主要包括强度和刚度计算、基本参数和几何尺寸计算、结构设计、特性曲线等。一、弹簧的功用弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。弹簧的主要功用有：（1）控制机构的位置和运动；（2）缓冲及吸振；（3）储存能量；（4）测量力和力矩。§15—1概述概述二、弹簧的类型按弹簧承受的载荷分：拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧按照弹簧的形状分：螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。螺旋弹簧碟形弹簧板簧盘簧环形弹簧概述圆柱形螺旋弹簧的结构•图示为螺旋压缩弹簧和拉伸弹簧。压簧在自由状态下各圈间应留有一定的余留间隙d1。为使载荷沿弹簧轴线传递，弹簧的两端各有3/4～5/4圈与邻圈并紧，称为死圈。死圈端部必须磨平。概述概述本章主要介绍圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧1、压缩弹簧弹簧两端的端面圈与邻圈并紧，不参与弹簧变形，只起支承的作用，俗称死圈。一、圆柱螺旋弹簧的结构D1D2D(3/4)dd1d/4dpdH0并紧不磨平端并紧磨平端§15—2圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料2、拉伸弹簧如图，圆柱螺旋拉伸弹簧不受外力的自由状态，此时弹簧各圈应互相并拢。拉伸弹簧分无初拉力和有初拉力两种。H0pdDD2D1拉伸弹簧的端部结构形式圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料弹簧的卷制方法有冷卷法和热卷法二、圆柱螺旋弹簧的制造要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，足够的韧性和塑性，良好的热处理性能。常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢（如60、75、65Mn等）、硅锰弹簧钢（如60Si2MnA）、铬钒弹簧钢（如50Cr-VA）、不锈钢（如1Cr18Ni9）及青铜（如QBe2）等。三、圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力弹簧材料的许用应力与弹簧的受载循环次数有关.1、弹簧的材料2、弹簧的许用应力圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料一、弹簧特性线(压缩弹簧)预紧力F1称为弹簧的最小载荷。Fmax(F2)为弹簧所承受的最大工作载荷，此时，弹簧高度压缩到H2，相应变形为λmax，该时刻弹簧各圈之间仍应保留δ1的间隙，称为余隙。ddpDD2D1UFOFmaxF3H2H1H03max21H3F1§15—3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算F3为弹簧的极限载荷。弹簧的工作行程λ2=λmax-λ1载荷-变形特性线图弹簧特性线——表示弹簧载荷与变形量之间的关系曲线．二、圆柱螺旋拉压弹簧的强度计算1、弹簧受力D2/2FFdmn剖面B-BD2/2BT''BFQAFNMAFFD222D2F2D2T=F当压缩弹簧承受轴向载荷F的作用时，钢丝剖面A-A上作用着横向力F和扭矩T，A-A剖面呈椭圆形，现取垂直于钢丝轴线的剖面B-B。圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算式中:K—曲度系数2、弹簧应力压缩弹簧最大切应力发生在弹簧丝内侧,其值为:28maxCFKdCCCK615.04414圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算C—弹簧指数（旋绕比）。max=K=F+TTFnmBB2DCd卷绕困难,且工作时弹簧内侧应力C弹簧不稳定,易颤动.通常C=5～10弹簧丝直径d:216.KFCd1、弹簧的变形GdFCGdnFD3432882、弹簧刚度和圈数nCGdFk38233288GdGdnFCCk三、弹簧的刚度计算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算弹簧刚度弹簧的有效圈数弹簧的总圈数11525(.~.)nn圈3、弹簧的稳定性验算压缩弹簧的自由高度H0与中径D2之比称为高径比，以b表示,要求02HbbD圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算当弹簧两端固定时，[b]=5.3；当弹簧一端固定，另一端铰支时，[b]=3.7。对于压缩弹簧：21cosDnL制造弹簧的弹簧丝展开长度：对于拉伸弹簧：21cosDnLl式中为未加载时的螺旋升角，一般59~式中l为拉伸弹簧挂钩部分的展开长度。小结：•强度计算－用来决定弹簧丝的直径d;•刚度计算－用来决定弹簧有效工作圈数n;•结构尺寸计算－用来确定结构尺寸及绘制制造图纸；•稳定性验算－对压缩弹簧以高径比做稳定性验算，若不满足应调整结构参数或设置导套．祝同学们学习顺利！思考题与习题•1金属弹簧按形状和承受载荷的不同，有哪些主要类型？哪种弹簧应用最广？•2对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？•3什么是弹簧的特性曲线？弹簧的刚度是如何定义的？•4对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？5.已知圆柱螺旋压缩弹簧中径D2=16mm，弹簧丝直径d＝3mm，材料为碳素弹簧钢丝C级,Ⅲ类弹簧，承受静载荷，弹簧工作圈数n＝4，支承端部并紧磨平。试计算：1)弹簧所能承受的最大载荷Fmax及最大载荷下的变形量λmax2)弹簧节距t，自由高度Ho及弹簧工作圈数n；3)计算弹簧所需钢丝长度；思考题与习题6.设计一圆截面簧线的压缩螺旋弹簧。当最大工作载荷Fmax=1000N时，其对应的变形λmax＝15mm，所受载荷为静载荷。思考题与习题