机械五金标准件认识与应用之二.ppt

機械五金標准件認識與應用之二 彈簧的認識與應用 目錄 一 彈簧的分類 二 彈簧的功能 三 彈簧的材料及選材 四 彈簧的制造 五 彈簧的工作原理 六 彈簧的參數 七 彈簧的計算 一 弹簧分类 弹簧的种类很多 若按照其所承受的载荷性质 弹簧主要分为 1 拉伸弹簧 2 压缩弹簧 3 扭轉弹簧 4 彎曲弹簧 一 弹簧分类 1 螺旋弹簧 2 碟形弹簧 3 環形弹簧 4 板弹簧 5 盤弹簧 一 弹簧分类 二 弹簧功能 弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件 在各类机器中的应用十分广泛 其主要功用是 1 控制机械的运动 例如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧 离合器中的控制弹簧 2 吸收振动和冲击能量 例如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等 3 存储和释放能量 例如钟表弹簧 枪栓弹簧等 4 测量力的大小 例如弹簧秤和测力器中的弹簧等等 三 弹簧材料 为了保障弹簧能够可靠地工作 其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外 还必须具有较高的弹性极限 疲劳极限 冲击韧性 塑性和良好的热处理工艺性等 表20 2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能 实践中应用最广泛的就是弹簧钢 其品种又有碳素弹簧钢 低锰弹簧钢 硅锰弹簧钢和铬钒钢等 图20 2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限 图20 2碳素钢丝直径与强度的关系 三 弹簧材料 三 弹簧材料 三 弹簧材料 三 弹簧材料選擇 弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途 重要程度与所受的载荷性质 大小 循环特性 工作温度 周围介质等使用条件 以及加工 热处理和经济性等因素 以便使选择结果与实际要求相吻合 钢是最常用的弹簧材料 当受力较小而又要求防腐蚀 防磁等特性时 可以采用有色金属 此外 还有用非金属材料制做的弹簧 如橡胶 塑料 软木及空气等 四 弹簧制造 螺旋弹簧的制造工艺过程如下 绕制 钩环制造 端部的制作与精加工 热处理 工艺试验等 对于重要的弹簧还要进行强压处理 弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种 1 冷卷法 簧丝直径d 8mm的采用冷卷法绕制 冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝 卷绕后一般不再进行淬火处理 只须低温回火以消除卷绕时的内应力 2 热卷法 簧丝直径较大 d 8mm 的弹簧则用热卷法绕制 在热态下卷制的弹簧 卷成后必须进行淬火 中温回火等处理 对于重要的弹簧 还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验 为提高弹簧的承载能力 可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理 以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力 由于残余应力的符号与工作应力相反 因而弹簧在工作时的最大应力 见左图所示 比未经强压处理的弹簧小 五 弹簧工作原理 1 定义 表征弹簧载荷F T与其变形l之间关系的曲线 称为弹簧特性线 2 载荷与变形 对于受压或受拉的弹簧 载荷指压力或拉力 变形是指弹簧压缩量或伸长量 对于受扭转的弹簧 载荷是指扭矩 变形是指扭角 3 常见类型 按照结构型式不同 常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种 图a直线型图b刚度渐增型图c刚度渐减型图d混合型弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上 作为检验与试验的依据之一 同时还可在设计弹簧时 利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析 1弹簧特性曲線 五 弹簧工作原理 2弹簧刚度 2 弹簧刚度与弹簧特性的关系图a 所示的直线型弹簧 其刚度为一常数 这种弹簧的特性曲线越陡 弹簧刚度相应愈大 即弹簧愈硬 反之则愈软 图b 所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型 即弹簧随变形量的增大其刚度越大 且在最大或冲击载荷作用时 仍具有较好的缓冲减振性能 故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向 图c 所示弹簧特性曲线为刚度渐减型 即弹簧刚度随变形的增大而越小 为了在冲击动能一定时 获得较小冲击力 则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜 五 弹簧工作原理 六 弹簧參數 如图所示 圆柱弹簧的主要尺寸有 弹簧丝直径d 弹簧圈外径D 弹簧圈内径D1 弹簧圈中径D2 节距t 螺旋升角a 自由长度H0等 弹簧参数的计算弹簧设计中 旋绕比 或称弹簧指数 C是最重要的参数之一 C D2 d 弹簧指数愈小 其刚度愈大 弹簧愈硬 弹簧内外侧的应力相差愈大 材料利用率低 反之弹簧愈软 常用弹簧指数的选取参见表 六 弹簧參數 六 弹簧參數 六 弹簧參數 七 弹簧受力分析 图示的压缩弹簧 当弹簧受轴向压力F时 在弹簧丝的任何横剖面上将作用着 扭矩T FRcos 弯矩M FRsin 切向力FQ Fcos 和法向力NF Fsin 式中R为弹簧的平均半径 由于弹簧螺旋角 的值不大 对于压缩弹簧为6 90 所以弯矩M和法向力N可以忽略不计 因此 在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q 的值较小时 cos 1 可取T FR和Q F 这种简化对于计算的准确性影响不大 当拉伸弹簧受轴向拉力F时 弹簧丝横剖面上的受力情况和压缩弹簧相同 只是扭矩T和切向力Q均为相反的方向 所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述 七 弹簧受力分析 七 弹簧強度分析 七 弹簧剛度分析 七 弹簧穩定性分析 七 弹簧穩定性分析 七 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算 对于循环次数较多 工作在变应力下的重要弹簧 还应该进一步对疲劳强度进行验算 如果变应力的循环次数N 103 或应力变化幅度不大时 应进行静强度验算 如果上述两种情况不能明确区分时 则应同时进行这两种强度的验算 七 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算 1疲劳强度验算 一般受变应力作用的弹簧 其应力变化规律有 max 常数和 min 常数两种 因此 可根据力学疲劳强度理论与相应计算公式 进行应力幅安全系数 最大应力安全系数的计算 对于弹簧钢丝也可按下述简化公式进行验算 式中 0 弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限 MPa 当弹簧材料为碳素钢丝 不锈钢丝 铍青铜丝等材料时 可根据循环次数N由表中查取 表20 4弹簧材料的脉动疲劳极限 0 注 1 经喷丸处理的弹簧 0可提高20 2 对于硅青铜丝 不锈钢丝 取0