2.1-机械设计ppt课件

1、Chapter 20 Design of SpringsPART Design of Elements and Parts in General Use20.1 Types and Functions of Springs 弹簧的类型及功用弹簧的类型及功用20.1.1 Classification of Springs 弹簧的分类弹簧的分类螺旋弹簧螺旋弹簧(helical spring) 碟形弹簧碟形弹簧(coned-disk spring or Belleville spring)，环形弹簧环形弹簧(ring spring)板簧板簧(plate or flat spring, cantile

2、ver悬臂悬臂 spring or leaf spring)涡卷形弹簧涡卷形弹簧(spiral spring)按所承受载荷性质按所承受载荷性质拉伸弹簧拉伸弹簧(tension spring) 压缩弹簧压缩弹簧(compression spring)扭转弹簧扭转弹簧(torsion spring)弯曲弹簧弯曲弹簧(bending spring) 按弹簧形状按弹簧形状A spring is a flexible element used to exert a force or a torque and, at the same time, to store energy.表表20.1 金属弹簧的基

3、本型式金属弹簧的基本型式螺旋拉伸弹簧螺旋拉伸弹簧(helical tension spring)螺旋压缩弹簧螺旋压缩弹簧(helical compression spring)螺旋扭转弹簧螺旋扭转弹簧(helical torsion spring) ConicalConstant pitchBarrelHourglassFlat Springs(板簧板簧)能承受较大的弯曲作用，常用于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有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机

4、和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。挂装置中均普遍使用这种弹簧。20.1.2 Functions of Springs 弹簧的功用弹簧的功用控制机械的运动控制机械的运动吸收振动和冲击能量吸收振动和冲击能量如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹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；簧、离合器中的控制弹簧；如各种车辆中的减振弹簧及如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；各种缓冲器的弹簧等；存储和释放能量存储和释放能量测量力的大小测量力的大小例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；如弹簧秤和测力器中的弹簧等。如弹簧秤和测力器中的弹簧等。测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力

5、矩扳手测力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手20.2 Materials and Manufacture of Springs 弹簧的材料和制造弹簧的材料和制造材料要求材料要求除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，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。和良好的热处理工艺性等。主要弹簧材料及其使用性能主要弹簧材料及其使用性能表表20.2 许用应力与许用应力与B有有关关实践中应用最广泛的材料实践中应用最广泛的材料弹簧钢，其品种又有碳素弹弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰

6、弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。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碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限, B表表20.3 与弹簧丝与弹簧丝直径直径d有关有关 20.2.1 Spring Materials 弹簧材料弹簧材料71057057045534065Mn B、C、D级级206800.8B(0.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝B、C、D级级钢钢丝丝类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧类类弹簧弹簧类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧弹性弹性模量模量E/GPa切变切变模量模量G/GPa许用弯曲应力许用弯曲应力b/MPa许用切应力许用切应力T/

7、 MPa代代 号号类类别别按受力循环次数按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：不同，弹簧分为三类：类类N106；类类N=103105以及受冲击载荷的场合；以及受冲击载荷的场合；类类N8mm)。在热态下卷制的弹簧，卷。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。成后必须进行淬火、中温回火等处理。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，弹簧丝表面状况，所以，弹簧丝(spring wire)表面必须光洁，没有表面必须光洁，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裂缝和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影

8、响材料的疲劳强度和抗冲击性能，因而，脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收抗冲击性能，因而，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。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。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧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在超过工作极限载荷下进行强压处理理(受载受载648h)，以便在簧丝内产，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由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，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

9、比未因而弹簧在工作时的最大应力比未经强压处理的弹簧小。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一般经过一次强压处理的弹簧可提高其承载能力约25%；若；若经喷丸处理可提高经喷丸处理可提高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处理的弹簧也不宜工作在较高温度150450C）、长期）、长期振动和有腐蚀性介质的场合。振动和有腐蚀性介质的场合。 20.3 Working Pri

10、nciple of Springs 弹簧的工作原理弹簧的工作原理弹簧特性曲线弹簧特性曲线(Load-deflection Curve)表征弹簧载荷表征弹簧载荷与其变形之间关系的曲线与其变形之间关系的曲线受压或受拉的弹簧受压或受拉的弹簧载荷指压力或拉力，变形是指弹簧载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；压缩量或伸长量；受扭转的弹簧受扭转的弹簧载荷是指扭矩，变形是指扭角。载荷是指扭矩，变形是指扭角。20.3.1 Characteristic Curve of a Spring 弹簧特性曲线弹簧特性曲线弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作

11、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。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。按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有四种。20.3.2 Stiffness of Springs 弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度(spring rate, force/unit deflection) 是指使是指使弹簧产生单位变形的载荷，用弹簧产生单位变形的载荷，用k和和kT分别表示拉分别表示拉(压压)弹簧的弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度。刚度与扭转弹簧的刚度。对于拉压弹簧对于拉压弹簧 ddF

12、k 对于扭转弹簧对于扭转弹簧 ddTkT 实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率。实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率。直线型弹簧直线型弹簧刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。刚度渐增型弹簧刚度渐增型弹簧随变形量的增大其刚度越大。如车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

13、簧特性曲线具有该型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。曲线的走向。弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧直线型特性线和变刚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。用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。 刚度渐减型弹簧刚度渐减型弹簧刚度随刚度随变形的增大而越小。为了在变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。渐减型特性曲线的弹簧为宜。20.4 Design

14、for Cylindrical Helical Compression and Tension Springs 圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计20.4.1 Parameters and Geometric Dimensions of a Cylindrical Spring 圆柱弹簧的参数及几何尺寸圆柱弹簧的参数及几何尺寸 圆柱弹簧的主要尺寸圆柱弹簧的主要尺寸DD2dtH0D1 DD2dtH0D1 弹簧丝直径弹簧丝直径(wire dia.), d弹簧圈外径弹簧圈外径(outside dia.), D弹簧圈内径弹簧圈内径(inside dia.), D1弹簧圈中径弹簧圈

15、中径(mean dia.), D2节距节距(pitch), t螺旋升角螺旋升角(pitch angle), 自由长度自由长度(free length), H0CdD 2 dCdDD121 dCdDD12 弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数C表示：表示：(1) Plain ends coiled right-hand. Plain end, right hand. Both ends plain. The ends are the same as

16、if a long spring had been cut into sections.Plain ends ground.Both ends plain.Squared or closed ends, not ground. (端部并紧不磨平端部并紧不磨平)Both ends squared.Both ends plain.弹簧圈数弹簧圈数(number of coils)弹簧总圈数弹簧总圈数(total number of coils) n0总圈数的尾数宜取总圈数的尾数宜取1/4、1/2或整圈数。或整圈数。弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不参加弹簧变形，其端弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不参

17、加弹簧变形，其端部应垂直于弹簧轴线。两端死圈各有部应垂直于弹簧轴线。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，一般圈，具体与端部形式有关，一般n=(0.75，1，1.25)圈。圈。常用端部形式常用端部形式GB, 两端并紧并磨平两端并紧并磨平(Y) (Both ends closed and ground)，两端并紧不磨平，两端并紧不磨平(Y) (closed ends, not ground)。重要场合应采用并紧磨平端。死圈的。重要场合应采用并紧磨平端。死圈的磨平长度应不小于磨平长度应不小于1/4圈，末端厚度应圈，末端厚度应0.25d。弹簧工作圈数，有效圈数弹

18、簧工作圈数，有效圈数(number of active coils) n 为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数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最少为2圈。圈。 DD2dtH0D1 弹簧节距弹簧节距(pitch) t 一般按下式取一般按下式取 ndtmax max弹簧的最大变形量；弹簧的最大变形量； 最大变最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于于0.1d。弹簧钢丝间距弹簧钢丝间距(coil clearance or space between adjacent coils) dt )25. 175. 0(220 nnnn

19、DD2dtH0D1 弹簧的自由长度弹簧的自由长度(free length) dnntdnnntdnnH)5 . 02()5 . 0(5 . 0000 dnntdnnntdnnH)12()1(1000 Both ends closed and ground两端并紧磨平两端并紧磨平Closed ends, not ground两端并紧不磨平两端并紧不磨平弹簧螺旋升角弹簧螺旋升角(pitch angle) 21tanDt 通常取通常取=59 cos02nDL dt Pitch hooks of dim Length Free0 ndHDD2dtH0D1 n20时，一般圆整为整圈数；时，一般圆整为整圈

20、数；nFcr，应重新选择有关参数，改变，应重新选择有关参数，改变b值，提高值，提高Fcr的的大小，使其大于大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性。之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装导杆参数时，就应该加装导杆或导套，以免弹簧受载时或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。为了防止产生侧向弯曲。为了防止弹簧工作时簧丝与导杆或弹簧工作时簧丝与导杆或导套产生摩擦，导杆或导导套产生摩擦，导杆或导套与簧丝间应留有间隙。套与簧丝间应留有间隙。 20.5 Fatigue Strength Checking Computation of Springs w

21、ith Fluctuating Loads 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧，还应该对于循环次数较多、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。种情况不能明确区分时，则应同时进行这两种强度的验算。 选择弹簧材料及许用应力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

22、第因本弹簧在一般载荷下工作，按第类弹簧来考虑，选择类弹簧来考虑，选择C级碳素弹簧钢丝。初估弹簧丝直径为级碳素弹簧钢丝。初估弹簧丝直径为d=2.2mm左右。查左右。查表表20.2和表和表20.3可知，可知，T=0.5B，B=1660MPa。 71057057045534065Mn B、C、D级级206800.8B(0.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝B、C、D级级钢钢丝丝类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧类类弹簧弹簧类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧弹性弹性模量模量E/GPa切变切变模量模量G/GPa许用弯曲应力许用弯曲应力b/MPa许用切应力许用切应力T/

23、MPa代代 号号类类别别MPa83016675 . 05 . 0 BT 1810166014202.2DCB级别级别钢丝直径钢丝直径d/mm计算弹簧丝直径计算弹簧丝直径 按表按表20.4选取选取C=5.5 弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846279. 145 . 5415 . 545 . 5615. 04414615. 0 CCCKmm18. 25 .8335 . 5279. 12206 . 16 . 1max TKCFd 与初估弹簧丝直径相近，故取标准值与初估弹簧丝直径相近，故取标准值 d=2.2mm。mm1 .122 . 25 . 52 CdDmm15mm3 .142 . 21 .122 dDD符合题意要求。符合题意要求。计算弹簧的有效工作圈数计算弹簧的有效工作圈数 查表查表20.2得得G=80000MPa 445. 91502201 .12852 . 280000834324 FDGdn 取弹簧工作圈取弹簧工作圈数为数为n=10圈。圈。验算载荷与变形验算载荷与变形 mm3 .112 . 280000101 .121508843432m