机械设计第章弹簧

第15章弹簧第一节概述

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）二、弹簧的类型表15.1三、弹簧设计的基本概念（1）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。（2）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第二节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分类：按载荷性质及使用中的重要程度，弹簧可分为3类：

Ⅰ类是用于承受载荷循环次数在106次以上的变载荷的弹簧

Ⅱ类是用于承受载倚循环次数在103～106次之间的变载荷或承受冲击载荷的弹簧，以及承受静载荷的重要弹簧；

Ⅲ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σB与其材料的力学性能组别及钢丝直径d有关。三、弹簧的制制造主要有冷冷卷法：：弹簧丝直直径d<8mm，在常温温下卷制制成型，，只需低低温回火火，以消消除内应应力。热卷法：：弹簧丝直直径d>8mm，卷好的的弹簧经经淬火和和回火处处理。第三节圆圆柱形形压缩（（拉伸））螺旋弹弹簧的设设计计算算一、弹簧簧的基本本几何参参数和特特性线图15.21、基本几几何参数数图15.3a、压缩弹弹簧特性性线2、弹簧特特性线b、拉伸弹弹簧特性性线分无预应力力拉伸弹弹簧和有预应力力拉伸弹弹簧无预应力力拉伸弹弹簧有预应力力拉伸弹弹簧二、弹簧簧的强度度计算目的：计计算弹簧簧丝的直直径压缩弹簧簧在轴向向力F的作用，，弹簧丝丝剖面上上作用有有转矩T=FD/2和切向力力F，横向力轴向力弯矩扭矩cosαα≈1sinαα≈0合成后弹弹簧丝内内侧点的的切应力力最大，，其值为为：K—弹簧曲度度系数C—弹簧旋绕绕比6～16常用C=5～8见表15.8按强度条条件计算算弹簧丝丝直径d，以Fmax代替F注意：计计算时，，C与[τ]与弹簧丝丝直径d有关方法：先先估计d，查得C与[τ]后，试算出dt与d比较，如如果差别别大再重重新估算算。直至得到到满意结结果，圆圆整为标标准值。。三、弹簧簧的刚度度计算目的：确确定弹簧簧的刚度度kF根据材料料力学公公式，圆柱形拉拉伸或压压缩弹簧簧在轴向向力F的作用的的变形量量为：{对有预应应力F0的拉伸弹弹簧预应力F0弹簧的刚刚度kFkF与C的3次方成反反比，控制C或Dn来改变kF最有效四、弹簧簧的稳定定性目的：防防止失稳稳设压缩弹弹簧的长长细比b=H0/D：满足弹簧簧稳定性性的条件件：弹簧两端固定定时，b<5.3;弹簧一端固定定，另一一端铰支支时，b<3.7弹簧两端铰支支时，b<2.6不满足上上述条件件时，应应计算临临界载荷荷，并保证式中FC——不失稳的的临界载载荷，FC=CukFH0CU——不稳定系系数CU图15.7图15.9增加导向向杆和导导向套可可改善弹弹簧的不不稳定图15.9五、弹簧簧的结构构设计1、圆柱形形压缩螺旋弹簧簧在压缩到到最大变变形时，，各圈必必须保持持的最小小间隙2、圆柱形形拉伸螺旋弹簧簧有预应力力拉伸弹弹簧，只只有在拉拉力大于于初拉力力F0，邻圈间才才出现间间隙弹簧的结结构见表表15.2六、受变变载荷的的圆柱形形压缩（（拉伸））螺旋弹弹簧的强强度验算算对于承受受变载荷荷（N>103）的弹簧簧要进行行疲劳强强度计计算1、疲劳强强度验算算材料内部部产生的的最大和和最小循循环工作作应力：τ0——弹簧材料料的脉动动循环剪剪切疲劳劳极限（MPa）SF——许用安全全系数，，计算精精确SF=1.3~1.7，精度低SF=1.8~2.2载荷作用次数N104105106107τ00.45σB0.45σB0.45σB0.45σBΤS——弹簧材料料的剪切切屈服极极限（MPa）碳素弹簧簧钢0.5σσB，硅锰弹簧簧钢0.6σσB，铬钒弹簧簧钢0.7σσB2、静强度度验算SS——许用安全全系数，，与SF相同例14.1试计算一一圆柱压压缩螺旋旋弹簧。。已知最最大工作作载荷Fmax=800N，最小工工作载荷荷Fmin=300N，要求弹弹簧的工工作行程程h=40mm，该弹簧簧属Ⅱ类，采用用两端固固定支座座。解题思路路：1、选择弹弹簧材料料，初定定弹簧丝丝直径d’，并确定定许用应应力[τ]2、计算弹弹簧丝直直径d3、根据初初算的弹弹簧刚度度，计算算弹簧工工作圈数数n，然后确确定弹簧簧刚度。。4、计算弹弹簧的几几何尺寸寸。5、验算弹弹簧的稳稳定性。。6、由于未未知工作作循环次次数，所所以不验验算疲劳劳强度与与静强度度7、绘制弹弹簧零件件工作图图作业15.115.215.1一Ⅱ类圆柱压压缩螺旋旋弹簧，，材料为为B组碳素弹弹簧钢丝丝，D=40mm，d=5mm，n=6。试求该该弹簧所所能承受受的最大大工作载载荷Fmax以及相应应的变形形量λmax。解：弹簧簧再Fmax时弹簧丝丝之间的的最小间间隙δ1=0.1d=0.5mm，弹簧旋旋绕比C=D/d=40/5=8，查表15.5，σB=1200MPa，查表15.4，[τ]=0.3σB=360MPa由式15.7弹簧的自自由高度度H0=(n+2)d+0.5×n+λmax=65.42mm≈66mm15.2要求一圆圆柱压缩缩螺旋弹弹簧工作作时能承承受的最最大工作作载荷Fmax=500N，最小工工作载荷荷Fmin=200N，工作行行程h=20mm，属Ⅱ类弹簧，，一般工工作环境境，两端端为固定定支座，，要求弹弹簧外径径D2<31mm。试设计计该弹簧簧。解：弹簧簧在Fmax时弹簧丝丝之间的的最小间间隙δ1=0.1d=0.5mm，假设弹弹簧丝直直径d=2.5～6，C=4～10，取C=5，查表15.5，σB=1200MPa，查表15.4，[τ]=0.3σB=360MPa初算弹簧簧刚度kf=（Fmax-Fmin）/h=(500-200)/20=15取d=5mm，D=Cd=5××5=25mm，外径D2=D+d=25+5=30mm初算λmax=Fmax/kf=500/15=33.33mm弹簧有效效工作圈圈数n=27弹簧的自自由高度度H0=(n+2)d+0.5×n+λmax=(27+2)××5+0.5××27+33.78=192.28mm取H0=193mm弹簧的节节距p=(H0-2d)/n=(193-2×5)/27=6.78mm弹簧稳定定性计算算b=H0/D=193/25=7.72>5.3弹簧可能能不稳定定Fc=CukfH0=0.22×14.8×193=628.4N<2.5×500=1250N弹簧不稳稳定,必须加导导向套筒筒15.3试设计一一圆柱压压缩螺旋旋弹簧。。已知Fmax=700N，λmax=50mm，弹簧套套在直径径为22mm的轴上工工作，要要求最大大外径小小于42mm，自由高高度不超超过165mm，端部并并紧磨平平。15.4设计一圆