第15章-弹簧..ppt

第15章弹簧,弹簧是机械中广泛使用的零件。它是利用材料的弹性和本身的结构特点，使其产生或恢复弹性变形时，把机械功或动能转变为变形能，或把变形能转变为动能或机械功，所以弹簧又是转换能量的零件。,一、弹簧的功用（1）缓冲吸振（汽车等减震弹簧）（2）控制运动（内燃机的气缸阀门）（3）测量力的大小（弹簧秤）（4）储能及输能（钟表，枪栓弹簧）,15.1概述,15.2.1弹簧的类型和特性曲线,表15.1,15.2圆柱螺旋弹簧的类型与特性曲线、制造及许用应力,（1）弹簧的类型,（2）弹簧的特性线和刚度,对于变刚度弹簧（例如圆锥型螺旋弹簧为渐增型曲线当载荷达到一定程度后，刚度集聚增加，起到保护弹簧的作用。,（3）弹簧的变形能（弹簧功）,在加载过程中弹簧所吸收的能量为变形能OAB面积,弹簧在工作过程中，若存在摩擦，将因摩擦而消耗一部分能量U0U0与U的比值称为阻尼系数即R=U0/U阻尼系数越大缓冲吸振的能力越强,图15.1,15.2.2圆柱形螺旋弹簧的结构、材料及制造,一、圆柱形螺旋弹簧的结构,表15.3,二、弹簧的材料和许用应力材料：1、具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，较高的冲击韧性。2、良好的塑性，硬度均匀3、良好的热处理性能，持久的弹性等材料选择与许用应力见表15.4,按载荷性质及使用中的重要程度，弹簧可分为3类：类是用于承受载荷循环次数在106次以上的变载荷的弹簧；类是用于承受载荷循环次数在103106次之间的变载荷或承受冲出载荷的弹簧，以及承受静载荷的重要弹簧；类是用于承受载荷循环次数在103以下的变载荷弹簧或承受静载荷的一般弹簧。,碳素弹簧钢丝材料的力学性能按强度高低分A、B、C3组：A组为低级，B组为中级，C组为高级，碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限B与其材料的力学性能组别及钢丝直径d有关。,三、弹簧的制造主要有冷卷法：弹簧丝直径d8mm，卷好的弹簧经淬火和回火处理。,15.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算,一、弹簧的基本几何参数和特性线,1、基本几何参数,图15.3,a、压缩弹簧特性线,2、弹簧特性线,b、拉伸弹簧特性线,分无预应力拉伸弹簧和有预应力拉伸弹簧,无预应力拉伸弹簧,有预应力拉伸弹簧,二、弹簧的强度计算,目的：计算弹簧丝的直径压缩弹簧在轴向力F的作用，弹簧丝剖面上作用有转矩T=FD/2和切向力F，,横向力,轴向力,弯矩,扭矩,cos1,sin0,合成后弹簧丝内侧点的切应力最大，其值为：,K弹簧曲度系数C弹簧旋绕比616常用C=58见表15.8,按强度条件计算弹簧丝直径d，以Fmax代替F,注意：计算时，C与与弹簧丝直径d有关方法：先估计d，查得C与后，试算出dt与d比较，如果差别大再重新估算。直至得到满意结果，圆整为标准值。,三、弹簧的刚度计算,目的：确定弹簧丝的刚度kF根据材料力学公式，圆柱形拉伸或压缩弹簧在轴向力F的作用的变形量为：,对有预应力F0的拉伸弹簧,预应力F0,弹簧丝的刚度kF,切应力放大,kF与C的3次方成反比，控制C或D来改变kF最有效,四、弹簧的稳定性,目的：防止失稳设压缩弹簧的长细比b=H0/D：满足弹簧稳定性的条件：弹簧两端固定时，b5.3;弹簧一端固定，另一端铰支时，b3.7弹簧两端铰支时，b103）的弹簧要进行疲劳强度计算,1、疲劳强度验算材料内部产生的最大和最小循环工作应力：,0弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限（MPa）SF许用安全系数，计算精确SF=1.31.7，精度低SF=1.82.2,S弹簧材料的剪切屈服极限（MPa）碳素弹簧钢0.5B，硅锰弹簧钢0.6B，铬钒弹簧钢0.7B,2、静强度验算,SS许用安全系数，与SF相同,例15.1试计算一圆柱压缩螺旋弹簧。已知最大工作载荷Fmax=800N，最小工作载荷Fmin=300N，要求弹簧的工作行程h=40mm，该弹簧属类，采用两端固定支座。,解题思路：1、选择弹簧材料，初定弹簧丝直径d，并确定许用应力2、计算弹簧丝直径d3、根据初算的弹簧刚度，计算弹簧工作圈数n，然后确定弹簧刚度。4、计算弹簧的几何尺寸。5、验算弹簧的稳定性。6、由于未知工作循环次数，所以不验算疲劳强度与静强度7、绘制弹簧零件工作图,查表15.4,查表15.5,表15.8圆柱螺旋弹簧常用旋绕比C,作业15.115.2,15.1一类圆柱压缩螺旋弹簧，材料为B组碳素弹簧钢丝，D=40mm，d=5mm，n=6。试求该弹簧所能承受的最大工作载荷Fmax以及相应的变形量max。,解：弹簧再Fmax时弹簧丝之间的最小间隙1=0.1d=0.5mm，弹簧旋绕比C=D/d=40/5=8，查表15.5，B=1200MPa，查表15.4，=0.3B=360MPa,由式15.7,弹簧的自由高度H0=(n+2)d+0.5n+max=65.42mm66mm,15.2要求一圆柱压缩螺旋弹簧工作时能承受的最大工作载荷Fmax=500N，最小工作载荷Fmin=200N，工作行程h=20mm，属类弹簧，一般工作环境，两端为固定支座，要求弹簧外径D25.3弹簧可能不稳定Fc=CukfH0=0.2214.8193=628.4N2.5500=1250N,弹簧不稳定,必须加导向套筒,15.3试设计一圆柱压缩螺旋弹簧。已知Fmax=700N，max=50mm，弹簧套在直径为22mm的轴