机械设计课程第1讲描述ppt课件.ppt

1 第十四章弹簧 基本要求1 了解弹簧的功用 分类 材料 许用应力的确定2 掌握圆柱形压缩 拉伸 螺旋弹簧的主要几何参数 特性线 强度计算与刚度计算的目的和计算公式 重点和难点圆柱形压缩 拉伸 螺旋弹簧的设计计算 2 弹簧的主要功用1 缓冲 吸振和隔震 车辆 沙发等 14 1概述 汽车减振板弹簧 汽车减振螺旋弹簧 自行车座弹簧 3 弹簧的主要功用2 控制机构的运动 如阀内弹簧 离合器中的控制弹簧 气门复位弹簧 圆珠笔等 14 1概述 4 弹簧的主要功用3 储存和释放能量 如枪栓弹簧 钟表弹簧 14 1概述 5 弹簧的主要功用4 测量和控制力的大小 如各类预紧弹簧 弹簧秤 压力继电器弹簧 14 1概述 6 弹簧的主要类型 按所受载荷分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧 7 按弹簧形状分螺旋弹簧环型弹簧盘簧板弹簧碟型弹簧 弹簧的主要类型 8 9 10 14 2 1螺旋弹簧的制造 14 2弹簧的材料 许用应力及制造 11 14 2 1螺旋弹簧的制造 螺旋弹簧的制造过程 1 卷绕 2 钩环的制作或两端的加工 重要压缩弹簧磨平 3 热处理 淬火 回火 4 工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理 需要注意的是 1 卷绕方法 冷卷和热卷当d 8mm用热卷 热卷温度按d大小 在800oC 1000oC之间选择 然后先淬火后回火处理 2 强化处理是最后处理 不允许再进行其他处理 也不允许在150oC 450oC和长期振动条件下工作 包括强拉强压和喷丸等 12 拉伸弹簧的端部结构 压缩弹簧的端部结构 弹簧端部结构制作 13 14 2 2弹簧的材料 弹簧材料要求1 较高的弹性极限 强度极限 疲劳极限和冲击韧性2 良好的热处理性能 热处理后经久不变的弹性 且脱碳性要小3 对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性弹簧材料常用弹簧材料 碳素弹簧钢 合金弹簧钢 不锈钢等 受力小 防腐蚀 防磁等 有色金属 如青铜 非金属弹簧材料 橡胶 塑料 软木及空气等 14 14 2 3许用 剪切和弯曲 应力与材料 载荷变化特性及弹簧的重要程度有关 1 类载荷 变载荷 交变次数 106次 多数疲劳破坏 2 类载荷 静载重要弹簧 有冲击的弹簧或交变次数103 106次的弹簧 疲劳或静载破坏 3 类载荷 静载弹簧或交变次数103次以内的一般弹簧 静载破坏 注意表14 3 P287 与簧丝直径有关 15 16 此表中 B C D级是指弹簧丝材料的机械强度组别B 低应力弹簧C 中应力弹簧D 高应力弹簧 17 18 14 3圆柱形压缩 拉伸 螺旋弹簧的设计计算 设计计算内容有 1 确定结构形式和特性线 2 选择材料和确定许用应力 3 由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径 4 由刚度条件确定弹簧的工作圈数 5 确定弹簧的基本参数 尺寸等 19 14 3 1几何尺寸和参数 中径D 外径D2 内径D1节距p螺旋升角 5 9o 弹簧丝直径d弹簧指数 旋绕比C 通常C 5 8工作圈数 n 20 14 3 2特性线 压缩弹簧的工作过程 b 渐增型a 直线型c 渐减型 弹簧的载荷与变形的关系曲线 特性线 21 圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线 1与 2之差称为弹簧的工作行程h 最小工作载荷 最大工作载荷 压缩弹簧余隙 弹簧的最小工作载荷或者预紧载荷 弹簧的最小变形量或者预紧变形量 弹簧的最大工作载荷 弹簧的最大工作变形量 弹簧的极限工作载荷 材料屈服 弹簧的极限变形量 弹簧各圈并紧时的全变形量 压缩弹簧初始间隙 22 圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线 紧 I类弹簧 II类弹簧 III类弹簧 23 圆柱型等节距拉伸螺旋弹簧及其特性线 拉伸弹簧的中预应力的产生类似于拧绳 24 14 3 3弹簧的受力和应力 在通过弹簧轴线的平面A A内 弹簧丝的剖面呈椭圆形 而在垂直于弹簧的平面B B内则为圆形 两剖面间夹角为弹簧的螺旋升角 而在B B剖面上则作用有转矩 当弹簧受载荷F作用时 在A A剖面上将作用有扭转力矩和剪切力 弯矩 切向力 及法向力 该剖面上的应力可近似的取为 25 转矩T引起的切应力 切向力引起的切应力 根据力的迭加原理可知 在弹簧丝内侧a点的合成应力最大 a点的最大合成切应力为 为了简化计算 弹簧丝的曲率忽略 将其近似看做直梁 故 26 关于旋绕比 也称弹簧常数 C旋绕比C是弹簧设计中的一个重要参数 当簧丝直径d一定时 C值越小 曲率越大 内外侧应力差越大 因此 C值不宜取太小 通常取C 4 16 推荐的不同簧丝直径的旋绕比如表所示 因为C值较大 所以 27 则弹簧丝剖面上实际应力的分布将如图 d 其强度条件 式中K称为曲度系数 当按强度条件计算弹簧丝直径d时 应以最大工作载荷代替式中的 则得 mm 28 弹簧材料的许用切应力 查表14 2 弹簧丝直径d的设计特点 1 计算的簧丝直径应圆整为标准值 2 针对碳素弹簧钢丝而言 和C都与d有关 需要试算 先估取d 查C和 再按14 3计算d 比较 再计算 直到相符为止 也可先估取C 5 8 再估取d 再试算 这种方法是机械设计和其他工程设计常用的方法 29 14 3 4弹簧的变形和刚度 圆柱形压缩 拉伸 螺旋弹簧受载荷后产生的轴向变形量为 1 对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧 2 对于有初应力的拉伸弹簧 为初拉力 弹簧的强度计算只能确定簧丝直径d和弹簧直径D 弹簧的工作圈数n需要由刚度确定 30 弹簧的刚度用表示 拉伸和压缩弹簧的刚度为 定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为 讨论 1 KF与C3成反比 C值愈小 弹簧刚度KF愈大 弹簧愈硬 弹簧卷制愈难 工作时将引起较大的扭应力 满足要求的条件下 尽量取较大的C2 KF与簧丝直径d成正比 与圈数n成反比3 当簧丝直径d一定时 KF与D3成反比 弹簧直径越大越软 从上述计算可知 弹簧圈数n取决于弹簧的变形或刚度 可通过上述公式计算得来 一般n 2圈 压缩弹簧的总圈数n1 n n2 31 两端固定时 一端固定另一端自由转动时 两端均自由转动时 14 3 5弹簧的稳定性 压缩弹簧的自由高度与中径之比 称为高径比 为保证压缩弹簧的稳定性 其高径比b值应满足下列要求 32 当b值不满足上述要求时 应进行稳定性验算 保持稳定时的临界载荷由下式计算 为保证弹簧的稳定性 最大工作载荷与临界载荷之间应满足以下关系 高径比b 33 当条件限制不能改变参数时 可以采取的措施包括加导杆 导套 但应注意导杆或导套与弹簧之间的间隙 见表14 7 当稳定性达不到要求时 应重新选取参数 改变b值 提高Fc 34 14 3 6受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计 设计的一般步骤如下 1 选择材料和确定许用应力 1 初选弹簧指数C 5 8 计算曲度系数K 2 根据初选C值及安装空间估计中径 估取簧丝直径d 3 选择材料 与直径d确定许用应力 2 根据强度条件试算弹簧丝直径 校核后圆整