浙大机械设计基础课件-第16章-弹簧

浙江大学专用第16章弹簧§16-1弹簧的功用和类型§16-2弹簧的制造、材料和许用应力§16-3圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形§16-5其他弹簧简介§16-4圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计浙江大学专用工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，在机械设备中被广泛用作弹性元件。功用：1.控制机构运动或零件的位置;§16-1弹簧的功用和类型3.存储能量;4.测量力的大小。螺旋弹簧圆柱形截锥形按形状分按受载分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弹簧类型2.缓冲吸振;浙江大学专用本章内容弹簧类型螺旋弹簧圆柱形截锥形按形状分按受载分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧环形弹簧平面涡圈弹簧板弹簧碟形弹簧浙江大学专用一、弹簧的制造§16-2弹簧的制造、材料和许用应力二、弹簧的材料制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。冷卷：d10mm热卷：d≥10mm→低温回火，消除应力→淬火、回火经强压处理可提高承载能力。要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能。材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。浙江大学专用碳素弹簧钢：含碳量在0.6~0.9%之间，如65、70、85合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强度，适宜的韧性和塑性。缺点：当d12mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的弹簧。优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。选用原则：充分考虑载荷条件、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。浙江大学专用三、弹簧的许用应力弹簧材料的机械性能按受载情况分为三类：P282I类弹簧：受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。II类弹簧：受变载荷作用次数在103~105，或受冲击载荷的弹簧，或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧：受变载荷作用次数在103，或受静载荷的弹簧。浙江大学专用232812FDddDT一、弹簧的应力已知条件如图。§16-3圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形D2TαFF22FFDT剪切力：扭矩：截面受力：剪切应力：剪切应力：24Fd23284'FDFddFF'TTW23216FDd238FDdτ’D2/2弹簧轴线D2/2弹簧轴线τ”Fτ”τ’τD2/2弹簧轴线浙江大学专用C=D2/2曲度系数K3456782010121416918C----旋绕比，或弹簧指数。----弹簧的曲度系数强度条件：2DCd令280.51FCdC28[]FCKd截面总切应力：τ”τ’τ未考虑簧丝曲率的应力τ”τ’τ410.61544CKCC其中设计公式：1.6[]KFCd浙江大学专用二、弹簧的变形dφ224008ttFDddsGd3248FDnGdFk微段轴向变形量d：C↓→k↑C值过小→制造困难，内侧应力↑；取值范围：C=4~16C值过大→弹簧容易颤动。dD2FF224(/2)2(/32)DFDdsGd22Ddd38FCnGd4328GdDn38GdCn钢：G=8×104Mpa,青铜：G=4×104MpaTTO’O2248FDdsGd浙江大学专用§16-4圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计一、结构尺寸和特性曲线1.压缩弹簧的结构尺寸压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距d。d支承圈或死圈----两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。不磨平磨平端部磨平----重要弹簧端部不磨平----一般用途d/4压缩弹簧的总圈数：n1=n+(1.5~2.5)其它尺寸见P284表。浙江大学专用2.压缩弹簧的特性曲线特性曲线--载荷—变形曲线压缩弹簧的特性曲线F1F2FlimF浙江大学专用arctgk最小工作载荷:F1=(0.2~0.5)F2最大工作载荷---F2在F2的作用下，max[]极限载荷---FlimlimU210压缩弹簧的特性曲线FF1F2FlimH2HlimH1最小变形---1对应的变形---λ2极限变形---lim0.8nd弹簧刚度：弹簧势能UF1F2FlimH0自由高度1221120FFFFk浙江大学专用当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。措施：内部加装导向杆、或外部加导向套。加装导向杆b=H0/D2高径比：5.33.7两端固定的弹簧一端固定，另一端铰支的弹簧加装导向套失稳浙江大学专用3.拉伸弹簧的结构特点a)各圈相互并紧d=0；b)制作完成后具有初拉力；c)端部做有拉钩，以便安装和加载。拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。改进后的结构拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。浙江大学专用二、弹簧设计计算步骤设计要求：有足够的强度符合载荷---变形曲线的要求（刚度要求）不发生侧弯(失稳)已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形2，其他要求（如工作温度、安装空间的限制等）计算步骤：1)选择弹簧材料及结构形式。4)确定弹簧的圈数n。2)计算弹簧刚度：k=F2/221.6[]KFCd3)求簧丝直径：5)确定弹簧的结构尺寸。浙江大学专用§16-5其他弹簧简介一、圆柱螺旋扭转弹簧端部结构:δ特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保持电刷的接触压力等。浙江大学专用1MKW34132[]44CMCdMlEI当力矩为M时，若a很小，则可认为扭簧只承受弯矩。强度条件：扭转变形：W----截面系数[]≈1.25[]E----材料的弹性模量，I----弹簧丝截面的惯性矩，D2----弹簧的中径，n----弹簧的有效圈数。MMMM扭转弹簧的载荷φ2MDnEI浙江大学专用1234OFy/t二、碟形弹簧结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。重要特性：当h/t≈1.5时，中间一段接近于水平。F簧片变平点D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5浙江大学专用F加载卸载碟形弹簧组合形式对合式组合弹簧----变形量增加，承载力不变。↑→吸振能力↑复合式弹簧：叠合式组合弹簧----摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振在变形量不变时，承载力大大增加。摩擦消耗的能量-----阴影面积可同时增加变形量和承载能力浙江大学专用优点：变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。用途：常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广泛地应用。缺点：用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造困难。