第16章弹簧17039

湘潭大学专用 第16章弹簧 16 1弹簧概述 16 2圆柱螺旋弹簧的结构 制造 材料及许用应力 16 5其它弹簧简介 16 3圆柱螺旋拉伸 压缩 弹簧的设计计算 16 4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 湘潭大学专用 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 16 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 5 改变系统的自振频率 分类 2 缓冲吸振 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧 湘潭大学专用 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 湘潭大学专用 16 2圆柱螺旋弹簧的结构 制造方法 材料及许用应力 一 圆柱螺旋弹簧的结构形式 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 n1的尾数取1 2 变形用 n为有效圈数 1 圆柱螺旋压缩弹簧 湘潭大学专用 2 拉伸弹簧 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 湘潭大学专用 二 弹簧的制造 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 卷制温度 800 1000 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 对于重要压缩弹簧 为了保证承载面与轴线垂直 端部应磨平 拉伸弹簧 为了便于联接与加载 两端制有拉构 工艺试验包括 耐冲击 疲劳等试验 湘潭大学专用 三 弹簧的材料及许用应力 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 1 弹簧的材料 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 湘潭大学专用 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 2 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 湘潭大学专用 湘潭大学专用 湘潭大学专用 节距 t d max 最大变形量 F2为最大载荷 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 两端并紧不磨平结构 H0 n n1 0 5 d 对于两端并紧磨平结构 并紧高度 Hs n1 1 d n1 0 5 d 16 3拉伸 压缩 弹簧的设计计算 一 几何尺寸计算 湘潭大学专用 表16 4圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 湘潭大学专用 续表16 4圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 湘潭大学专用 二 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 1 压缩弹簧的特性曲线 湘潭大学专用 最小工作载荷 Fmin 0 1 0 5 Fmax 最大工作载荷 Fmax 在Fmax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 min 对应的变形 max 极限变形 lim 0 8n 保证不并紧 弹簧刚度 弹簧势能E 一般取 Fmax 0 8Flim 湘潭大学专用 2 拉伸弹簧的特性曲线 a 没有预应力 特性曲线通过坐标原点 湘潭大学专用 特性曲线不通过坐标原点 2 拉伸弹簧的特性曲线 b 有预应力 若工作载荷小于克服预应力所需的初拉力F0 则弹簧不会变形 只有当F F0时弹簧才开始变形 湘潭大学专用 故截面B B上的载荷可近似取为 弹簧受轴向载荷F时 作用在轴向截面A A上的力有 扭矩 T F D2 2 轴向力F 在法面B B上的力有 横向力 F 轴向力 F 弯矩 M Tsin 扭矩 5 9 sin 0 cos 1 扭矩 T F D2 2 Fcos Fsin T Tcos 横向力 F 三 弹簧受载时的应力与变形 1 簧丝受力分析 湘潭大学专用 截面受力 剪切应力 2 弹簧的应力 扭切应力 合成应力 湘潭大学专用 C 旋绕比 或弹簧指数 未考虑簧丝曲率的应力 由于0 5 C远小于1 故由F引起的剪切应力可忽略 若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响 实际应力分布与理论分析有差别 实践证明 弹簧内侧m点最容易产生破坏 湘潭大学专用 弹簧的曲度系数 强度条件 设计公式 其值可直接查表下表可得 引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响 得 湘潭大学专用 3 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 常用值 C 5 8 C值过大 弹簧容易颤动 n为有效圈数 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 钢 G 8 104Mpa 青铜 G 4 104Mpa 湘潭大学专用 弹簧的最大变形量 1 对于压缩弹簧和无预应力拉伸弹簧 2 对于有预应力的拉伸弹簧 拉伸弹簧的初拉力取决于材料 簧丝直径 旋绕比和加工方法 可按右图选取 初拉力的计算 湘潭大学专用 四 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Fmax和相应的变形 max 其它要求 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 Fmax max 4 求簧丝直径 6 确定弹簧的结构尺寸 湘潭大学专用 四 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Fmax和相应的变形 max 其它要求 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 根据安装空间初设弹簧中径D 由C值估取弹簧丝直径d 并查取弹簧丝的许用应力 4 试算簧丝直径 2 选择旋绕比C 通常可取C 5 8 并算出补偿系数K值 湘潭大学专用 5 根据变形条件求出弹簧工作圈数 对于有预应力的拉伸弹簧 对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧 6 检查D2 D1 H0是否符合安装要求等 7 验算 强度验算 振动验算 稳定性验算 强度校核 湘潭大学专用 a 疲劳强度校核 F1 安装载荷 1 预压变形量 F2 最大载荷 2 最大变形量 强度条件 当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时 取 SF 1 3 1 7 当精确性低时 取 SF 1 8 2 2 0的含义按下页表选取 湘潭大学专用 b 静强度校核 强度条件 当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时 取 SS 1 3 1 7 当精确性低时 取 SS 1 8 2 2 振动验算 对于承受变载荷的弹簧 当加载频率很高时 容易引起弹簧的谐振而导致弹簧破坏 因此要进行振动验算 以保证工作频率远低于基本自振频率 湘潭大学专用 圆柱螺旋弹簧的基本自振频率为 将kF和mS代入后 可得 其中弹簧刚度 弹簧质量系数 为避免弹簧发生严重振动 要求 当不能满足以上要求时 应重新设计 增大kF或减小mS 湘潭大学专用 失稳 当b大于许用值时 弹簧工作时会弯曲而失稳 高径比 b H0 D2 5 3两端固定的弹簧 3 7一端固定 一端自由转动 2 6两端自由转动 稳定性验算 稳定条件 Fc CukFH0 Fmax 其中 Fc 稳定时的临界载荷 Cu 不稳定系数 湘潭大学专用 失稳 注意 导杆 导套与弹簧之间的间隙不能太大 工作时需加润滑油 内部加装导向杆 或外部加导向套 若Fc Fmax 则要重新选取参数 以保证弹簧的稳定性 如果受条件限制 不能改变参数时 可采取如下措施 湘潭大学专用 一 圆柱螺旋扭转弹簧的结构 结构 特点 外形和拉压弹簧相似 但承受力矩载荷 16 4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 扭转弹簧的轴向长度 H0 n d 0 2Hh n 有效圈数 0 轴向间距 一般取 0 0 1 0 5mm d 簧丝直径 2Hh 挂钩长度 湘潭大学专用 二 扭转弹簧的特性曲线 在材料的弹性极限内 扭转弹簧的载荷 扭矩 与变形 转角 特性曲线也是呈线性变化 Tlim lim 极限工作扭转及极限转角 Tmax max 最大工作扭转及转角 Tmin min 最小工作扭转及转角 一般取 Tmin 0 1 0 5 Tmax 应用实例 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 湘潭大学专用 强度条件 扭转变形 W 截面系数 1 25 E 材料弹性模量 I 簧丝截面惯性矩 n 弹簧有效圈数 D2 弹簧中径 三 圆柱螺旋扭转弹簧的计算 在扭矩T作用下 簧丝任意截面B B内的载荷为 弯矩 M Tcos 因为 很小 则可认为扭簧只承受弯矩 M T 扭矩 T Tsin 刚度 湘潭大学专用 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 已知条件 最大工作载荷Fmax和相应的变形 max 其它要求 如工作温度 安装空间的限制等 设计确定 弹簧丝直径 弹簧中径 工作圈数 弹簧的螺旋升角和长度等 四 圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤 湘潭大学专用 计算步骤 1 选择弹簧材料及许用应力 以及扭簧的结构形式 3 根据安装空间初设弹簧中径D 由C值估取弹簧丝直径d 并查取弹簧丝的许用应力 4 试算簧丝直径d 2 选择旋绕比C 通常可取C 5 8 并算出补偿系数K1值 检查尺寸是否合适 5 根据变形条件求出弹簧工作圈数 6 计算弹簧丝长度 湘潭大学专用 16 5其他弹簧简介 单击图片可播放动画 碟形弹簧 环形弹簧 涡卷弹簧 板簧 湘潭大学专用 一 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 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 湘潭大学专用 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 湘潭大学专用 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 湘潭大学专用 二 环形弹簧 工作原理 在轴向载荷的作用下 内外圆环的接触面之间将产生很大的法向反力 迫使内环直径减小 外环直径加大 当卸载后 由于环的角大于摩擦角 弹簧在弹性内力的作用下复原 特性曲线 加载曲线与卸载曲线不重合 摩擦耗能大 由于内外圆环的接触锥面之间产生很大的摩擦力 工作中由于克服摩擦力而消耗很多能量 应用 因具有很强的缓冲吸振作用 常用于缓冲装置 结构特点 由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一种压缩弹簧 AB段为弹簧内力克服静摩擦力的情况 湘潭大学专用 特