第14章机械设计弹簧素材.ppt

第14章弹簧 14 1弹簧概述 14 2圆柱螺旋弹簧的结构 制造 材料及许用应力 14 3圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 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 14 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 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 潘存云教授研制 潘存云教授研制 14 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 圆柱螺旋压缩弹簧 拉伸弹簧 1 各圈相互并紧 0 2 制作完成后具有初拉力 3 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 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 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 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 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 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 一 几何尺寸计算 14 3拉伸 压缩 弹簧的设计计算 表14 3圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 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 压缩弹簧的特性曲线 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 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 簧丝受力分析 截面受力 剪切应力 弹簧的应力 扭切应力 合成应力 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 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 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 5 根据变形条件求出弹簧工作圈数 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 人有了知识 就会具备各种分析能力 明辨是非的能力 所以我们要勤恳读书 广