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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=416,C值过大 弹簧容易颤动。,n为有效圈数,钢:G=8104 Mpa, 青铜:G=4104 Mpa,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:d10 mm,热卷:d 10 mm, 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0.60.9%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d12 mm,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。,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3/45/4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+(1.52.5),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 +,式中2为最大工作载荷F2作用时的变形量。,通常 t(0.30.5)D2 , =59,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,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=(0.20.5)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/t1.5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

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