1、第十三章 弹性元件,1 概 述,一 弹性元件的功用和分类,1 功用,缓冲减振,控制运动,储存能量,测量,2 分类,按照受力变形分,按照弹簧几何形状分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,弯曲弹簧,螺旋弹簧,片簧,蜗卷弹簧,碟形弹簧,环行弹簧,电气开关和仪器仪表中使用的热敏双金属片簧、膜盒、弹簧管等,二 弹簧元件的特性,两种基本效应,非弹性效应 : 指弹性元件的变形受其他因素(如时间 温度、材料性质等)的影响所表现出来的性质.,弹性效应 : 指弹性元件的变形仅仅是由于受载荷的 影响所表现出来的性质,起具体参数为体现载荷和 变形关系的刚度和灵敏度,弹性特性,直线型,刚度渐增型,刚度渐减型,混合型,弹性元
2、件的弹性特性曲线,刚度(F ) :使弹性元件产生单位位移所需要的载荷,(或 ),F弹性元件所受的拉力或压力；,弹性元件所产生的拉、压变形；,M和T分别为弯矩和扭矩；,分别为断面转角和扭转角；,和,分别称为抗弯刚度和抗扭刚度。,和,灵敏度(S) : 弹性元件承受单位载荷所产生的位移, 它是刚度的倒数.,三种弹性误差现象, 弹性滞后: 弹性元件在加载与卸载过程中，弹性特性曲线不相重合的现象, 弹性后效: 弹性元件的变形落后于载荷作用（加载或卸载）的现象,弹性滞后曲线图,弹性后效曲线, 温度误差,温度为t时的弹性模量；,在标准温度（一般为20）时的弹性模量；,弹性模量温度系数；,三 弹性元件的材料,
3、2 螺旋弹簧,按外形分类,圆柱形螺旋弹簧 (图a),圆锥形螺旋弹簧 （图b）,抛物线形螺旋弹簧（图c),一 圆柱形螺旋弹簧的形式和端部结构,按载荷作用方式的不同圆柱形螺旋弹簧分以下三种形式 ： 拉伸弹簧（代号L型）如图（a）所示 压缩弹簧（代号Y型）如图（b）所示 扭转弹簧（代号N型）如图（c）所示,拉伸弹簧和压缩弹簧的固定方法,压缩弹簧常通过将端圈磨平或通过凸台、凹槽来固定。如下图中 （a）（b）（c）所示。 拉伸弹簧常通过两端带有的构环来固定。如（d）（e）（f）等图 所示。,扭转弹簧的固定方法,在工作扭转角不大的情况下采用下图（a）（b）所示的固定方法。 在工作扭转角不较大的情况下可采用
4、双股式扭转弹簧（图13-7(c)），也可采用作用在钩环上的载荷是力偶的结构（图13-7(d)）,二 螺旋弹簧的计算,1拉伸弹簧和压缩弹簧的计算,在螺旋升角较小时，可认为弹簧丝仅承受扭转作用。这时，弹簧的轴向变量,和它所承受的轴向载荷F的关系如下：,在载荷F作用下弹簧的变形量；,F 作用在弹簧上的载荷；,弹簧中径；,n弹簧的有效圈数；,G材料的切变模量；,d簧丝直径。,弹簧的刚度为:,扭转剪应力的最大值为 :,在进行强度计算时，还要考虑弹簧丝横截面的剪切作用和弹簧丝呈 螺旋状对应力大小的影响，为此引入一个修正系数。,故此时,注：修正系数为K,式中，,称为弹簧的旋绕比。,通常情况下C=416，设计
5、时可参照下表选取。,旋绕比C的柬用值,2压缩弹簧的稳定性,弹簧自由高度与中径之比成为弹簧的高径比，用,压缩弹簧的失稳：当载荷达到一定值时，弹簧会突然发生测向弯曲 ，使弹簧刚度突然降低的现象称为压缩弹簧的失稳。,为保证不失稳 应满足的条件,当弹簧两端固定时，b5.3,当弹簧一端固定，另一端可转时，b3.7,当弹簧两端可转时，b2.6,在不满足上面三个条件的情况下进行强度计算，保证弹簧的最大 工作载荷,F2小于或等于保持弹簧稳定的临界载荷FC。,即 ：,式中,不稳定系数；,弹簧刚度；,弹簧的自由高度。,则应重新选择参数，改变b值，提高FC。,3扭簧的计算,在力矩M作用下扭转弹簧的转角；,M作用在扭
6、转弹簧上的力矩；,n有效圈数；,E材料的弹性模量；,d簧丝直径。,当扭簧工作时，产生的最大弯曲应力为,扭簧的曲度系数。,4螺旋弹簧的许用应力,弹簧的两种分类, 按弹簧的工作特点和重要程度分,类工作时受动载荷作用，而且当弹簧损坏后将引起整个 机构发生故障的弹簧；,类工作时受静载荷作用或载荷均匀地增加的弹簧；,类不重要的弹簧。, 按弹簧承受载荷的性质不同分,类工作时交变载荷作用次数在106次以上；,类受交变载荷次数在103105次以及受冲击载荷；,类受交变载荷次数在103以下。,5压缩弹簧和拉伸弹簧的特性曲线, 压缩弹簧,圆柱形压缩螺旋弹簧及其特性曲线如下图所示,弹簧的弹性特性曲线为一直线，故其弹
7、性特性（力与变形间的关系）遵从虎克定律，即力与变形成正比例关系,常数,弹簧的工作行程,弹簧的最小载荷（即安装载荷）通常取, 拉伸弹簧,圆柱形拉伸螺旋弹簧及其弹性特性曲线如下图所示, 3 片簧和热敏双金属片簧,一 片簧,片簧是用狭长的金属带料和薄板料制成的弹性元件，最常见的工作方式为单端刚性固定（即呈悬臂梁状态）和两端铰支（即呈简支梁状态）两种。如下图所示,片簧分为直片簧和曲片簧两种 。,利用片簧结构的电触点应用很广，下图为片簧的应用实例,(a)为继电器的触头；,(b)为压紧棘爪和棘轮以实现力封闭的弯曲片簧；,(c)是作为压力计敏感元件的直片簧,片簧的固定端常用螺钉固定，,下图为三种端部固定形式
8、。,二 热敏双金属片簧,热敏双金属片簧，简称双金属片簧。它是由两层不同热膨胀系数的金属片牢固结合而成。,主动层为热膨胀系数较大的一层。,被动层为热膨胀系数较小的一层。,由于两层金属的热膨胀系数不同，导致热膨胀量不等，使 整个双金属片簧向被动层一面弯曲。（a）为常温状态,(b)为增温状态。,材料的选择：,1主动层、被动层两种材料的线胀系数之差应尽可能大,2两种材料的弹性模量应接近，以扩大双金属弹簧的工作温度范围；,3要有良好的机械性能，便于加工；,4焊接容易。,主动层采用黄铜、蒙铜和镍钼铁合金。,4 其他类型的弹性元件简介,一 游丝和发丝,游丝和发丝的结构示意图,二 膜片与膜盒,膜片的边缘固定，受压力作用时产生弹性变形，其中心位移,称,为挠度。如图 所示。其中（a）为平膜片，(b)为波纹膜片。,(a)为压力膜盒,(b)为真空膜盒,(c)为填充式膜盒,(d)为膜盒组,三 波纹管,
