弹簧

联轴器00级过程装备与控制专业主讲教师：徐林林联轴器第十六章弹簧§16-1弹簧概述§16-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力§16-3圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算§16-4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算§16-5其它类型弹簧简介联轴器§16-1弹簧概述1．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：控制机构的运动、缓冲和减振、储存能量、测力以及改变机器的自振频率等。2．弹簧的分类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联轴器拉伸弹簧联轴器压缩弹簧小刚度压缩弹簧联轴器变刚度压缩弹簧联轴器扭转弹簧联轴器联轴器联轴器平面涡卷弹簧联轴器弯曲弹簧板簧联轴器电力车辆联轴器环形弹簧联轴器联轴器蝶形弹簧联轴器联轴器§16-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力弹簧的节距为p，在自由状态下，各圈之间应有适当的间距δ，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保持一定的间距δ1。δ1的大小一般推荐为：δ1=0.1d≥0.2mm。１、圆柱螺旋弹簧的结构形式联轴器联轴器联轴器联轴器2、圆柱螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造工艺包括：卷制挂钩的制作或端面圈的精加工热处理工艺试验及强压处理联轴器联轴器联轴器联轴器联轴器联轴器联轴器3、弹簧的材料及许用应力为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。1)．常用弹簧钢碳素弹簧钢(如65、70钢)：价格便宜、来源方便，但弹性极限低；低锰弹簧钢(如65Mn)：淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹；硅锰弹簧钢(如60Si2MnA)：弹性极限高，回火稳定性好，力学性能良好；铬钒钢(如50CrVA)：耐疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的场合。联轴器2．材料选择选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件(载荷性质、大小及循环特性、工作持续时间、工作温度等)以及加工、热处理和经济性等因素。联轴器一、几何参数计算普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸：外径D2、中径D、内径D1、节距p、螺旋升角、弹簧丝直径d。§16-3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算弹簧的螺旋角α，对圆柱压缩弹簧一般应在5°～9°范围内选取。弹簧的旋向可以是左旋或右旋，但无特殊要求时，一般都是右旋。arctanpD联轴器普通圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的结构尺寸计算公式见表16-4联轴器联轴器二、特性曲线弹簧应具有经久不变的弹性。在设计弹簧时，应使其工作应力在弹性极限范围内。表示弹簧载荷和变形的关系曲线称为特性曲线。弹簧的特性曲线作为检验和试验时的依据之一，通常应绘制在弹簧的工作图中。圆柱压缩螺旋弹簧的特性曲线弹簧的载荷与变形之间的关系式为maxminminmax(FFFFk常数)Fmin为安装弹簧时预加的载荷；Fmax为弹簧的最大载荷；Fmin为弹簧的极限载荷。一般取Fmin=(0.1~0.5)Fmax;并保持Fmax≤0.8Fmin；联轴器圆柱拉伸螺旋弹簧的特性曲线联轴器FFk称为弹簧刚度根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式可以求得438FFGdkDn令Ｃ＝D/d，称为缠绕比38GdCn式中：n——弹簧的有效圈数；G——弹簧材料的切变模量，见表16—2。联轴器由此可得圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量λ33488FFFDnFCnkGdGd对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：3maxmax8FCnGd对于有预应力的拉伸弹簧：3max0max8()FFCnGd用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。联轴器初拉力按下式计算：3'008dFKD式中，τ’0称为初应力，其值在图16-9的阴影区内选取。K称为曲度系数，对于圆截面弹簧丝可按下式计算：0.61544KCC4C-1联轴器三、圆柱螺旋弹簧受载时的应力圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的截面上主要受到横向剪力和扭矩。下面以压缩弹簧承受轴向载荷的情况进行分析。在弹簧丝横截面上作用有轴向力Ｆ扭矩Ｔ＝ＦＤ／２轴向力Ｆ产生剪应力τF/4F2Fd扭矩Ｔ产生扭转剪应力τT3/16TTWdTFD/2联轴器总剪应力τΣ为3/4/16FTd2FFD/2d(1)/4d2F2Dd(12)/4C2Fd为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进曲度系数Ｋ，对剪应力进行修正，则弹簧丝的最大剪应力可表示为(12)/4C2KFd联轴器(12)/4C2KFd弹簧丝横截面上的剪应力分布如图所示。可见，最大剪应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。联轴器因为2C1，故可以忽略τF的影响。则弹簧丝内侧的最大剪应力及强度条件可表示为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。(12)/4C2KFd[]K28CFd联轴器四、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算设计方法和步骤:1)根据工作情况及具体条件选定材料；2)选择旋绕比C，通常可取C≈5~8，并算出曲度系数K值；0.61544KCC4C-13)根据安装空间初设弹簧中径D，由C值估取弹簧丝直径d，并由表16-2查取弹簧丝的许用应力[τ]；4)试算弹簧丝直径d′[]K28CFd由可得KCFdmax'6.1联轴器5)根据变形条件求出弹簧工作圈数：对于有预应力的拉伸弹簧对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧3max0max8()FFCnGd由可得max30max)(8CFFGdn3maxmax8FCnGd由可得max3max8CFGdn6)计算D2、D1、H0并检查是否符合安装要求等;联轴器7)疲劳强度和静应力强度的验算：对于循环次数较多、在变应力下工作的重要弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算(如果变载荷的作用次数N≤103或载荷变化的幅度不大时，可只进行静应力强度验算)。Ｈ0为弹簧的自由长度。Ｆ1和λ1为安装载荷和预压变形量。Ｆ2和λ2为工作时的最大载荷和最大变形量。联轴器可得弹簧材料内部所产生的最大和最小剪应力为：38DKKFd28CFd由maxK238DFdminK138DFd疲劳强度的计算安全系数Ｓca及强度条件可按下式计算：maxcaS0min+0.75S式中：τ０——弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数Ｎ，由表16—8中查取；联轴器maxcaS0min+0.75SSτ——弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取Sτ=1.3~1.7；当精确性低时，取Sτ=1.8~2.2。静应力强度验算maxScaSSSS式中τs为弹簧材料的剪切屈服极限。静应力强度的设计安全系数Ss的选取与Sτ相同。联轴器8)验算稳定性对于压缩弹簧，如其长度较大时．则受力后容易失去稳定性。为了便于制造反避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比b=H0/D为当b大于上述数值时，要近行稳定性验算，并应满足图16-12联轴器9)振动验算承受变载荷的圆柱螺旋弹簧，当加载频率很高时为了避免引起弹簧的共振而导致弹簧的破坏，需对弹簧进行振动验算，以保证其临界工作频率远低于其基本自振频率。见表16-4γ：材料的密度联轴器10)进行弹簧的结构设计11)绘制弹簧工作图弹簧的工作图必须按规定的画法绘制。弹簧工作图上应画出特性曲线。联轴器§16-4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算扭转弹簧主要用于压紧、储能或传递扭矩。一、圆柱螺旋扭转弹簧的结构及特性曲线1．圆柱螺旋扭转弹簧的结构联轴器弹簧的两端带有杆臂或挂钩，以便固着或加载。螺旋扭转弹簧在相邻两圈间一般留有微小的间距，以免扭转变形时相互摩擦。扭转弹簧的轴向长度Ｈ0的计算公式00()bHndHδ0=0.1~0.5mm联轴器2．圆柱螺旋扭转弹簧的特性曲线φminφmaxφlimTφTlimTmaxTmin扭转弹簧的工作应力也是要在其材料的弹性极限范围内才能正常工作，故载荷Ｆ与扭转角φ间仍为直线关系。联轴器二、圆柱螺旋扭转弹簧受载时的应力及变形计算弹簧丝在Ｂ-Ｂ截面上的弯曲应力MT33/320.1MTWWTTdd联轴器30.1Td考虑螺旋角α的影星，用曲度系数Ｋ1进行修正13[]0.1bKTd其中：14144CKC[σb]——弹簧丝的许用应力。由表16-2查取。联轴器扭转弹簧承载时的变形以其角位移来测定。弹簧受扭矩Ｔ作用后，因扭转变形而产生的扭转角φ可按材料力学中的公式作近似计算，即180TDnEIφminφmaxφlimTφTlimTmaxTmin扭转弹簧的刚度为180TTEIkDnＩ——弹簧丝截面的轴惯性矩．单位为mm4。464dI联轴器(三)圆柱螺旋扭转弹簧的设计联轴器例题设计一普通圆柱螺旋拉伸弹簧。已知该弹簧在一般载荷条件下工作．载荷变化次数小于103,并要求中径D≈l8mm，外径D2≤22mm。当弹簧拉伸变形量λ1=7.5mm时，拉力F1=180N；拉伸变形量λ2=17mm时,拉力F2＝340N。解：1.根据工作条件选择材料并确定其许用应力因弹簧在一般载荷条件下工作，载荷变化次数小于103，可以按第Ⅲ类弹簧来考虑。联轴器结束