1、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 分类 螺旋弹簧 圆柱形 截锥形 按形状分 按受
2、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 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 截面受力 剪切应力 剪切应力 设计 潘存云 设计 潘存云 C 旋绕比 或弹簧指数 弹簧的曲度系数 强度条件 截面总切应力 设计公式 其实质是一个修正系数 其值可直接查表下表可得 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 在轴向载荷的作用下 弹簧产生轴向变形 取微段分析 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 16 C值过大 弹簧容易颤
3、动 n为有效圈数 钢 G 8 104Mpa 青铜 G 4 104Mpa G 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 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 d 10mm 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
4、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d 12mm 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
5、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 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 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 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 4 压缩弹簧的总圈数 n1 n 1 5 2 5 为使工作平稳
6、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 式中 2为最大工作载荷F2作用时的变形量 通常t 0 3 0 5 D2 5 9 螺旋升角 弹簧丝的展开长度 自由高度 H0 n n1 1 d H0 n n1 0 5 d 对于两端并紧磨平结构 弹簧的并紧高度 Hs n1 1 d n1 0 5 d 两端并紧不磨平结构 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 b H0 D2 高径比 5 3 3 7 两端固定的弹簧 一端固定
7、 另一端铰支的弹簧 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 设计 潘存云 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 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 Flim 压缩弹簧的特性曲线 最小变形 1 对应的变形 2 极限变形 lim 0 8n 保证不并紧 弹簧刚度 弹簧势能E 3 拉伸弹簧的结构特点 a 各圈相互并紧 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
8、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 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 3 求应力 5 确定弹簧的圈数n 2 计算弹簧刚度 k F2 2 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 特点 外形和拉压弹簧相似 但承受力矩载荷 作用 用于
9、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 当力矩为M时 若 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 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 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
10、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 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 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
