《机械设计》-第15章

15.1弹簧的功用与类型１５.１.１弹簧的功用弹簧是一种弹性元件，它能利用材料的弹性和自身结构的特点，在载荷作用下产生很大的变形，卸载后又能立即恢复原来的形状。由于这一特点，弹簧的主要功能有：缓冲和减振，如车辆中的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧；控制运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧；储蓄能量，如钟表中的弹簧；测力，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。１５.１.２弹簧的类型弹簧的种类繁多，按其受力情况，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧。下一页返回15.1弹簧的功用与类型按照弹簧的形状，又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧和盘簧等，如表１５－１所示。螺旋弹簧包括拉伸弹簧、压缩弹簧和扭转弹簧。螺旋弹簧是由圆截面弹簧丝卷绕而成的。其弹簧特性线呈线性，弹簧刚度是恒定的。碟形弹簧和环形弹簧都属于压缩弹簧，它能够承受较大的冲击，且缓冲、吸振能力较强，多用于缓冲弹簧。蝶形弹簧常在重型机械和飞机中作为强力缓冲和减振弹簧来使用。板弹簧是由多层长度不同的弹簧钢板叠合而成的，其主要承受弯矩。由于板与板间的摩擦，会使板弹簧的加载特性线与卸载特性线不重合，其缓冲、减振的能力较强。它多用于火车、汽车的减振装置。上一页下一页返回15.1弹簧的功用与类型盘簧为扭转弹簧。按结构可将其分为非接触型和接触型两种，非接触型盘簧的特性线为线性，接触型盘簧由于圈与圈之间存在摩擦，会使加载时的特性线与卸载时的特性线不重合，故其特性线是非线性的。由于其圈数较多，储存能量大，故多用于钟表、仪器中的储能元件。上一页返回15.2弹簧的材料与制造１５.２.１弹簧的材料及许用应力１.弹簧的材料由于弹簧经常受冲击载荷或变载荷作用，为了确保其能安全可靠地工作，弹簧材料必须具有较高的弹性极限和疲劳极限，同时还应具有良好的韧性及热处理性能。常用的弹簧材料有碳素弹簧钢丝、合金弹簧钢丝、弹簧用不锈钢丝及铜合金等，近年来非金属材料（如塑料、橡胶等）弹簧也有很大的发展。下一页返回15.2弹簧的材料与制造碳素弹簧钢丝的价格便宜，原材料获取方便，规格齐全，一般情况下应优先选用；合金弹簧钢丝中由于加入了合金元素，从而提高了钢的淬透性，改善了钢的机械性能，它用于钢丝直径较大、受冲击载荷的情况；不锈钢或铜合金适用于需在防腐、防磁等条件下工作的弹簧。这几种主要弹簧材料的使用性能见表１５－２。选择弹簧材料时，应综合考虑弹簧的功用、重要程度及工作条件，同时还要考虑其加工、热处理工艺和经济性等因素。２.弹簧材料的许用应力影响弹簧许用应力的因素有很多，除材料品种外，还有材料质量、热处理方法、载荷性质、工作条件和弹簧钢丝的直径等因素，在确定许用应力时都应予以考虑。上一页下一页返回15.2弹簧的材料与制造通常，根据变载荷的作用次数以及弹簧的重要程度，可将弹簧分为三类：Ⅰ类为受变载荷的作用次数在１０６以上或很重要的弹簧，如内燃机的气阀弹簧等；Ⅱ类为受变载荷作用次数在１０３～１０５次及承受冲击载荷的弹簧，如调速器弹簧、一般车辆弹簧等；Ⅲ类为受变载荷作用次数在１０３次以下的弹簧及受静载荷的一般弹簧，如一般安全阀弹簧、摩擦式安全离合器弹簧等。设计弹簧时，根据上述弹簧的种类及所选定的材料，可由表１５－２确定其许用应力。上一页下一页返回15.2弹簧的材料与制造应当指出的是，碳素弹簧钢丝的许用应力是根据其抗拉强度极限σＢ而确定的，而σＢ与钢丝的直径有关，如表１５－３所列，碳素弹簧钢丝按用途可分为三级：Ｂ级用于低应力弹簧；Ｃ级用于中等应力弹簧；Ｄ级用于高应力弹簧。因此，设计时需先假定碳素弹簧钢丝的直径并进行试算。１５.２.２弹簧的制造弹簧的制造工艺过程包括：卷绕、两端加工（指压簧）或挂钩的制作（指拉簧和扭簧）、热处理和工艺试验。弹簧的卷绕方法有冷卷法和热卷法两种。上一页下一页返回15.2弹簧的材料与制造弹簧丝直径在８ｍｍ以下的用冷卷法，直径大于８ｍｍ的用热卷法。冷态下卷制的弹簧用冷拉的、经预热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷成后一般不再经淬火处理，只经低温回火处理以消除其内应力。在热态下卷制的弹簧卷成后必须经过热处理，通常应进行淬火和回火处理。弹簧制成后，如再进行强压处理，可提高其承载能力。强压处理是指将弹簧预先压制到超过材料的屈服极限，并保持一段时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力方向相反的残余应力，它受载时可抵消一部分工作应力，这样可提高弹簧的承载能力。经强压处理后的弹簧不允许再进行任何热处理。上一页返回15.3圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析１５.３.１弹簧的应力圆柱形螺旋弹簧受压及受拉时，其弹簧丝的受力情况相同。现以图１５－１（ａ）为例，分析圆柱形螺旋压缩弹簧的受力情况。图１５－１所示为一圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧中径为Ｄ２，弹簧丝直径为ｄ，轴向力Ｆ作用在弹簧的轴线上，由于弹簧丝具有螺旋升角α，故在通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的剖面Ａ—Ａ呈椭圆形，其螺旋升角一般为α＝５°～９°，由于螺旋升角不大，故可将剖面Ａ—Ａ的椭圆形状近似为圆形。该剖面上作用着力Ｆ及扭矩Ｔ＝ＦＤ２

/２，如图１５－１（ｂ）所示。下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析弹簧丝剖面Ａ—Ａ的上应力分布如图１５－１（ｃ）所示。由图可以看出，其最大切应力发生在弹簧丝剖面Ａ－Ａ内侧的ｍ点，而且实践表明，弹簧的破坏也大多由这点开始。其最大应力可以近似地取为１５.３.２弹簧的变形由材料力学可知，对于圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧，由于其螺旋升角不大，受载后的轴向变形λ可以根据以下公式求得，即上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析弹簧的刚度是表征弹簧性能的主要参数之一，它表示使弹簧产生单位变形量时所需的力，刚度越大，弹簧变形所需要的力就越大。影响弹簧刚度的因素有很多，从式（１５－３）可以看出，Ｃ值对ｋ的影响很大，ｋ与Ｃ的三次方成反比。上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析当其他条件相同时，弹簧指数Ｃ越小，其刚度越大，即弹簧越硬；Ｃ越大，其刚度越小，即弹簧越软。所以，合理地选择Ｃ值能控制弹簧的弹力。另外，ｋ还与Ｇ、ｄ、ｎ有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。上一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计１５.４.１弹簧的结构与几何尺寸１.圆柱形螺旋弹簧的结构（１）压缩弹簧图１５－２所示为圆柱形螺旋压缩弹簧，它是用圆形簧丝卷绕而成的，这种弹簧的特性线如图１５－３所示。弹簧的两端为支撑圈，各有０.７５～１.７５圈弹簧并紧，它们工作中不参与弹簧变形，所以称为死圈。并紧的支撑圈端部有磨平与不磨平两种。如图１５－４所示的重要的弹簧都需要磨平，以使支撑圈端面与弹簧的轴心线相垂直。其磨平长度一般不小于０.７５圈。下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计（２）拉伸弹簧拉伸弹簧也是用圆形簧丝卷绕而成的，它在卷制时各圈相互并紧，即弹簧间距δ＝０；各圈弹簧相互接触；端部制成钩环形式，以便安装和加载。其端部结构如图１５－５所示。２.圆柱形螺旋弹簧的几何尺寸圆柱形螺旋弹簧的主要几何参数有弹簧外径Ｄ、中径Ｄ２、内径Ｄ１、节距ｐ、螺旋升角α、自由高度Ｈ０、工作圈数ｎ、簧丝直径ｄ及簧丝展开长度Ｌ等，如图１５－２所示。圆柱螺旋弹簧的几何尺寸计算见表１５－４。上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计３.圆柱形螺旋弹簧的特性线（１）压缩弹簧用来表示弹簧载荷与变形之间关系的曲线称为弹簧特性线。图１５－３所示为圆柱螺旋压缩弹簧的特性线，其中Ｈ０表示不受外力时弹簧的自由高度。弹簧工作前，通常预受一压缩力Ｆ１，以保证弹簧稳定在安装位置上。Ｆ１称为弹簧的最小工作载荷，在它的作用下，弹簧的长度由Ｈ０降至Ｈ１，其相应的弹簧压缩变形量为λ１。当弹簧受到最大工作载荷Ｆ２时，弹簧长度降至Ｈ２，其相应的弹簧压缩变形量为λ２。上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计λ０＝λ２－λ１＝Ｈ１－Ｈ２，λ０称为弹簧的工作行程。Ｆｌｉｍ为弹簧的极限载荷，在它的作用下，弹簧丝应力将达到材料的弹性极限，这时弹簧的长度降至Ｈｌｉｍ，相应的变形为λｌｉｍ。对于等节距的圆柱螺旋弹簧（压缩或拉伸），由于其载荷与变形成正比，故其特性线为直线，即（２）拉伸弹簧拉伸弹簧的特性线分为无初应力（见图１５－６（ａ））和有初应力（见图１５－６（ｂ））两种情况。上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计无初应力的弹簧特性线与压缩弹簧完全相同。有初应力的弹簧的特性线则不同，它在自由状态下就有初拉力Ｆ０的作用。初拉力是在卷制弹簧时使各圈弹簧并紧而产生的。利用三角形相似原理，在图上增加一段假想的变形量ｘ，这样它的特性线又与无初应力的特性线完全相同。一般情况下，可这样确定初应力：簧丝直径ｄ≤５ｍｍ时，Ｆ０＝Ｆ３／３；ｄ＞５ｍｍ时，Ｆ０＝Ｆ３／４。１５.４.２弹簧的设计计算设计弹簧时，应满足的要求有强度条件、刚度条件和稳定性条件。上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计１.已知条件通常的已知条件包括以下几项：１）弹簧受到的最大工作载荷Ｆ２；２）相应的弹簧压缩变形量λ；３）其他要求（如空间位置要求、工作温度等）。２.设计步骤１）根据工作条件和载荷情况选定弹簧的材料并求其许用应力；２）选择旋绕比Ｃ、计算曲度系数ｋ１；３）强度计算；上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计由式（１５－２）求弹簧丝直径４）刚度计算：由式（１５－４）的弹簧刚度计算式可得弹簧的工作圈数为５）稳定性计算：上一页下一页返回15.4圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计当压缩弹簧的圈数较多，如其高径比ｂ＝Ｈ０／Ｄ２较大时，其受力可能产生侧向弯曲而失去稳定性，导致无法正常工作。为了便于制造及避免失稳，对一般压缩弹簧建议按下列情况选取高径比：当两端固定时，取ｂ＜５.３；当一端固定，另一端铰支时，取ｂ＜３.７；当两端铰支时，取ｂ＜２.６。若ｂ超过许用值，又不能修改有关参数时，可采取外加导向套或内加导向杆的方法来增加弹簧的稳定性。６）结构设计：按表１５－４算出全部有关尺寸。７）绘制弹簧工作图。上一页返回15.5其他弹簧简介１５.５.１圆柱螺旋扭转弹簧在机器中，扭转弹簧经常作为压缩弹簧、储能弹簧和传递扭矩的弹簧。扭转弹簧的两端带有杆臂或钩环，以便固定和加载。扭转弹簧的端部结构如图１５－７所示。在自由状态下，扭转弹簧的弹簧圈之间应留有少量间隙，以免弹簧工作时各圈彼此接触并产生摩擦和磨损。１５.５.２碟形弹簧碟形弹簧是用薄钢板冲制而成的，其外形像碟子。下一页返回15.5其他弹簧简介如图１５－８所示，当碟形弹簧受轴向载荷Ｆ时，其升角θ将变小，相应地会使弹簧产生轴向变形λ（压缩量）。碟形弹簧的特性线很复杂，它随着碟厚ｔ和碟内腔高度ｈ的比值ｈ／ｔ变化而变化。ｈ／ｔ值越大的弹簧在开始压缩时的刚性越大，压缩到一定程度后，其刚度又很快下降。比值ｈ／ｔ＝的弹簧，它在一段区间内近似为一条水平线，也就是说，在这个范围内，即使变形有变化，其载荷也近乎不变。碟簧的这一性质很重要，它提供了在一定范围内保持载荷恒定的方法，例如在精密仪器中可利用碟形弹簧来保持轴承端面的摩擦力矩不受温度变化的影响。上一页下一页返回15.5其他弹簧简介组合碟形弹簧的组合方式不同，其弹簧特性线也不同。要求变形量较大时，可采用对合式组合，即将几个碟形弹簧大端对大端、小端对小端地对合起来，它与单个碟形弹簧相比，在同样载荷下可得到较大的变形量，如图１５－９（ａ）所示。要求承受的载荷大时，可采用堆积式组合，即将几个碟形弹簧叠在一起，其刚度较大，承载能力强，它可借各碟之间的摩擦作用，使部分冲击能量转化成热能，因此，它能作缓冲弹簧，如图１５－９（ｂ）所示。上一页返回表