Chapter20DesignofSprings讲解.ppt

1,Chapter20DesignofSprings,PARTDesignofElementsandPartsinGeneralUse,机械设计MechanicalDesign,2,20.1.1ClassificationofSprings弹簧的分类,螺旋弹簧(helicalspring)碟形弹簧(coned-diskspringorBellevillespring)，环形弹簧(ringspring)板簧(plateorflatspring,cantilever悬臂springorleafspring)涡卷形弹簧(spiralspring),按所承受载荷性质,拉伸弹簧(tensionspring)压缩弹簧(compressionspring)扭转弹簧(torsionspring)弯曲弹簧(bendingspring),按弹簧形状,Aspringisaflexibleelementusedtoexertaforceoratorqueand,atthesametime,tostoreenergy.,3,表20.1金属弹簧的基本型式,4,5,6,7,8,9,10,HelicalSprings(螺旋弹簧)用弹簧丝卷绕制成；制造简便，价格较低，易于检测和安装，应用最广。可以制成,螺旋拉伸弹簧(helicaltensionspring),螺旋压缩弹簧(helicalcompressionspring),螺旋扭转弹簧(helicaltorsionspring),11,Variationsofhelicalcompressionsprings:Constantpitch(cylindrical),Conical,Barrel,Hourglass,Variablepitch,HelixDirectionRighthand，Lefthand,Conical,Constantpitch,Barrel,Hourglass,12,ShapesofSpringWires(弹簧丝的形状)roundwire,rectangularwire,13,Coned-diskSprings（碟形弹簧）可以承受很大的冲击载荷，具有良好的吸振能力，常用作缓冲减振弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。,14,RingSprings(环形弹簧)是目前减振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中的缓冲零件。,15,SpiralSprings(涡卷形弹簧)具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表的动力装置。,FlatSprings(板簧)能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。,16,20.1.2FunctionsofSprings弹簧的功用,控制机械的运动,吸收振动和冲击能量,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；,如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；,17,存储和释放能量,测量力的大小,例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；,如弹簧秤和测力器中的弹簧等。,定力矩扳手,测力矩扳手,18,材料要求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。主要弹簧材料及其使用性能表20.2许用应力与B有关实践中应用最广泛的材料弹簧钢，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。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限,B表20.3与弹簧丝直径d有关,20.2.1SpringMaterials弹簧材料,19,20,21,20.2.2MaterialSelection材料选择,应考虑的因素弹簧的用途、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，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。,22,20.2.3ManufactureofSprings弹簧制造,螺旋弹簧的制造工艺过程绕制；钩环制造；端部的制作与精加工；热处理；工艺试验等，重要的弹簧还要进行强压处理。,23,螺旋弹簧的绕制方法冷卷法(coolforming)与热卷法(hotforming)冷卷簧丝直径d8mm。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。热卷簧丝直径较大(d8mm)。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。,24,弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大的程度上取决于弹簧的表面状况，所以，弹簧丝(springwire)表面必须光洁，没有裂缝和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性能，因此，脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收弹簧的技术条件中详细规定。,对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。,25,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(受载648h)，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比未经强压处理的弹簧小。,一般经过一次强压处理的弹簧可提高其承载能力约25%；若经喷丸处理可提高20%。,须注意，强压处理是弹簧制造的最后一道工序。为了保持有益的残余应力，强压处理后不应作其它热处理。而且经强压处理的弹簧也不宜工作在较高温度（150450C）、长期振动和有腐蚀性介质的场合。,26,弹簧特性曲线(Load-deflectionCurve)表征弹簧载荷与其变形之间关系的曲线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；受扭转的弹簧载荷是指扭矩，变形是指扭角。,20.3.1CharacteristicCurveofaSpring弹簧特性曲线,27,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。,按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有四种。,28,20.3.2StiffnessofSprings弹簧刚度,弹簧刚度(springrate,force/unitdeflection)是指使弹簧产生单位变形的载荷，用k和kT分别表示拉(压)弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度。,对于拉压弹簧,对于扭转弹簧,实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率。,29,直线型弹簧刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。,刚度渐增型弹簧随变形量的增大其刚度越大。如车辆缓冲减振弹簧，希望在车辆重载与轻载时，均具有差不多的自振频率；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。,30,弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧（直线型特性线）和变刚度弹簧（曲线或折线型特性线），受动载荷或冲击载荷作用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。,刚度渐减型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。,31,20.4.1ParametersandGeometricDimensionsofaCylindricalSpring圆柱弹簧的参数及几何尺寸,圆柱弹簧的主要尺寸,弹簧丝直径(wiredia.),d弹簧圈外径(outsidedia.),D弹簧圈内径(insidedia.),D1弹簧圈中径(meandia.),D2节距(pitch),t螺旋升角(pitchangle),自由长度(freelength),H0,32,旋绕比(或称弹簧指数springindex),C=D2/d是最重要的参数之一。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20.4。,弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数C表示：,33,AvarietyofendtreatmentsorTypesofends,CylindricalHelicalCompressionSprings,(1)Plainendscoiledright-hand.Plainend,righthand.Bothendsplain.Theendsarethesameasifalongspringhadbeencutintosections.,34,Plainendsground.,AvarietyofendtreatmentsorTypesofends,CylindricalHelicalCompressionSprings,Bothendsplain.,Theendcoilsaredeformedtoazero-degreehelixangle.Theendcoiliscollapsedagainsttheadjacentcoil(squared).,Squaredorclosedends,notground.(端部并紧不磨平)Bothendssquared.,35,Squaredandgroundends.Bothendssquaredandground.Theendturnsaresquaredandthengroundperpendiculartothehelixaxis.,AvarietyofendtreatmentsorTypesofends,CylindricalHelicalCompressionSprings,Bothendsplain.,Closedandgroundends.端部并紧磨平,36,弹簧圈数(numberofcoils),CylindricalHelicalCompressionSprings,弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不参加弹簧变形，其端部应垂直于弹簧轴线。,支承圈(bearingcoils)n死圈(deadturns),inactiveendcoils,两端死圈各有n=3/4(0.75)5/4(1.25)圈，具体与端部形式有关，一般n=(0.75，1，1.25)圈。,37,CylindricalHelicalCompressionSprings,两种常用端部形式GB,两端并紧并磨平(Bothendsclosedandground),两端并紧不磨平(closedends,notground),重要场合应采用并紧磨平端。死圈的磨平长度应不小于1/4圈，末端厚度应0.25d。,38,CylindricalHelicalCompressionSprings,弹簧工作圈数n有效圈数(numberofactivecoils),为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。,弹簧总圈数(totalnumberofcoils)n0,总圈数的尾数宜取1/4、1/2或整圈数。,n0与n、n间的关系与端部形式有关,39,CylindricalHelicalCompressionSprings,弹簧节距(pitch)t按下式取,max弹簧的最大变形量；最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。,弹簧钢丝间距(coilclearanceorspacebetweenadjacentcoils),40,CylindricalHelicalCompressionSprings,弹簧的自由长度(freelength),Bothendsclosedandground两端并紧磨平,Closedends,notground两端并紧不磨平,弹簧螺旋升角(pitchangle),通常取=59,弹簧丝材料的长度(entirelength),41,CylindricalHelicalTensionSprings,Theshapeofthehooksorendturns,42,CylindricalHelicalTensionSprings,Theshapeofthehooksorendturns,43,n20时，一般圆整为整圈数；nFcr，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性。,若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装导杆或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。为了防止弹簧工作时簧丝与导杆或导套产生摩擦，导杆或导套与簧丝间应留有间隙。,52,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N103，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。,53,Example20.1设计一圆柱螺旋压缩弹簧。已知：弹簧外径D15mm，工作时最大载荷为220N，最小载荷为150N，要求弹簧工作行程为5mm，类弹簧，两端固定支承。,选择弹簧材料及许用应力,Solution,因本弹簧在一般载荷下工作，按第类弹簧来考虑，选择C级碳素弹簧钢丝。初估弹簧丝直径为d=2.2mm左右。查表20.2和表20.3可知，T=0.5B，B=1660MPa。,54,计算弹簧丝直径,按表20.4选取C=5.5,与初估弹簧丝直径相近，故取标准值d=2.2mm。,符合题意要求。,55,计算弹簧的有效工作圈数,查表20.2得G=80000MPa,取弹簧工作圈数为n=10圈。,验算载荷与变形,实际工作行程,56,表20.2附注，类弹簧lim1.12T。取,验算载荷与变形,计算极限载荷,与之对应的变形量为,计算弹簧其余几何尺寸,57,计算弹簧其余几何尺寸,两端支承圈各取为n=1，即总圈数为n0=n+2n