机械设计基础之弹簧详解.

第18章弹簧§18-1弹簧的功用和类型§18-2圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形§18-3弹簧的制造、材料和许用应力§18-5其他弹簧简介§18-4圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计工作特点：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;如凸轮机构、离合器、阀门等；§18-1弹簧的功用和类型3.存储能量;如钟表仪器中的弹簧；4.测量力的大小。如弹簧秤中的弹簧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类型：分类2.缓冲吸振;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；本章内容分类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仪表中储能用板弹簧碟形弹簧设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云232218DddFDT一、弹簧的应力已知条件如图。§18-2圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形D2TαFF22FDTF扭矩：剪切力：截面受力：剪切应力：剪切应力：24dF23248'dFdFDFFTWT'16232dDF328dFDτ’D2/2弹簧轴线D2/2弹簧轴线τ”Fτ”τ’τD2/2弹簧轴线设计：潘存云设计：潘存云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：dDC2令CdFC5.0182][82dFCK截面总切应力：τ”τ’τ未考虑簧丝曲率的应力τ”τ’τCCCK615.04414其中设计公式：][6.1KFCd其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得CCC615.04414精确分析可得如下公式：设计：潘存云设计：潘存云二、弹簧的变形dφttdsdGFDd0042284328GdnFDFk在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形λ，取微段分析微段轴向变形量dλ：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。dλD2FλF4228dGdsFDdDd22GdnFC38nDGd3248nCGd38n为有效圈数钢：G=8×104Mpa,青铜：G=4×104MpaG--材料的切变模量：根据材料力学有关圆柱螺旋弹簧变形的计算公式TTO’O设计：潘存云一、弹簧的制造§18-3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。强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。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。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（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。三、弹簧的许用应力弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等弹簧按载荷分为三类：I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。表18—1螺旋弹簧的常用材料和许用应力材料名称牌号65、700.3σB0.4σB0.5σB–40~120碳素弹簧钢丝Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ60Si1Mn480640800–40~20045~50HRC合金弹簧钢丝Ⅰ类弹簧[τI]青铜丝Ⅱ类弹簧[τII]Ⅲ类弹簧[τIII]推荐使用温度℃推荐硬度范围特性及用途强度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只适用于小弹簧。50CrVA450600750–40~21045~50HRC4Cr13450600750–40~30048~53HRCQSi3-1270360450QSn4-3270360450–40~12090~100HBS弹性和回火稳定性好，易脱碳，用于制造受重载的弹簧。有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于承受变载的弹簧耐腐蚀，耐高温，适用于做较大的弹簧耐腐蚀，防磁好许用切应力/MPa组别III、IIaIII钢丝直径d/mm0.20.30.50.81.01.21.62.02.53.03.54.04.55.06.08.0270027002650260025002400220020001800170016501600150015001450---22502250220021502050195018501800165016501550150014001400135012501750175017002170165015501450140013001300120011501150110013501250表18—2碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限设计：潘存云设计：潘存云§18-4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δ。δ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----一般用途磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4d/4压缩弹簧的总圈数：n1=n+(1.5~2.5)为使工作平稳，n1的尾数取1/2变形用n为有效圈数设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云节距：t=d+δ式中λ2为最大工作载荷F2作用时的变形量。通常t≈(0.3~0.5)D2,α=5˚~9˚间距:δ≥λ20.8nF2α螺旋升角：弹簧丝的展开长度:πD2n1cosαL=tπD2α=arctg自由高度:H0=nδ+(n1+1)dH0=nδ+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构H0t弹簧的并紧高度：Hs=(n1+1)d(n1-0.5)d两端并紧不磨平结构：HsHsδD2设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云当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。注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。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设计：潘存云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F1F2FlimFλ设计：潘存云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，τmax[τ]弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧可靠地稳定在安装位置上。极限载荷---FlimλlimEλ2λ1λ0压缩弹簧的特性曲线FλF1F2FlimH2HlimH1最小变形---λ1对应的变形---λ2极限变形---λlim0.8nδ保证不并紧弹簧刚度：弹簧势能EF1F2FlimH0自由高度常数0122211FFFFk3.拉伸弹簧的结构特点a)各圈相互并紧δ=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。特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。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λ2，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3)求应力：5)确定弹簧的圈数n；CdFC5.01822)计算弹簧刚度：k=F2/λ2][6.1KFCd4)求簧丝直径：6)确定弹簧的结构尺寸设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云§18-5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。设计：潘存云][3231dMKWMK13324414dMCCEIMl当力矩为M时，若α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[σ]≈1.25[τ]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φradEInMD21）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载能力。3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减小而抱轴。设计要点：设计：潘存云1234OFy/t二、碟形弹簧结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用载荷、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。利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。F簧片变平点D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Fλ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。由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。↑→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。