《机械设计基础1》-第15章

15.1弹簧的功能、类型和材料弹簧是通过其自身产生较大的弹性变形而进行工作的弹性元件,它在机械设备、电器仪器、军工装备、交通运输设备和日常生活器具等方面均得到广泛应用。一、弹簧的功能弹簧利用材料的弹性和结构上的特点,在工作时可以产生较大的弹性变形,吸收机械动能,或将变形能转化成动能。弹簧的主要用途有:(1)控制机械设备、仪器、仪表的运动,如内燃机的阀门、各种气门、离合器、制动器上用的弹簧;(2)有缓冲、减振能力,如车辆上装的弹簧,各种缓冲器、联轴器中的弹簧;(3)有储存能量的功能,在各种自动控制机构、仪表、钟表上的原动弹簧等;(4)用于检测力和力矩,如测力器、弹簧秤上的弹簧等。下一页返回15.1弹簧的功能、类型和材料二、弹簧的类型根据弹簧的形状、载荷种类和用途的不同,弹簧可分为多种类型,其基本类型见表15-1。三、弹簧的材料在机械设计中,弹簧常承受具有冲击性的交变载荷,所以弹簧材料应具有高的屈服强度、疲劳强度、冲击韧性和良好的热处理性能。常用的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和有色金属合金。选择弹簧材料时,主要应考虑弹簧的工作条件(载荷的大小和性质、周围介质的特性、工作温度等)、重要性及加工和热处理条件等因素。上一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数在设计圆柱形螺旋弹簧时,应该首先考虑到弹簧在受载荷作用下,其产生的工作应力要在弹簧材料的弹性极限范围之内,这时载荷和变形即形成一条直线的关系,如图15-1所示。一、圆柱形螺旋弹簧的特性曲线1.圆柱形压缩螺旋弹簧特性曲线图15-1(a)为压缩弹簧的特性线,H0为压缩弹簧在未受载荷作用时的自由长度。但是一般压缩弹簧在安装时,必须要给以预加一个压力Fmin,称之为安装载荷,或称最小工作载荷。其相应的弹簧长度由H0压缩到长度为H1,压缩变形量为λmin。下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数如果弹簧受到最大的工作载荷Fmax时,则弹簧的长度又要从H1减到H2,其压缩变形量增至λmax,最大和最小压缩变形量的差值,就是弹簧的工作行程,即h=λmax-λmin=H1-H2。如果继续加载到极限载荷Flim,弹簧丝中的应力达到弹簧材料的弹性极限τlim。相应地弹簧被压缩到长度为H3,压缩变形量为λlim。等节距圆柱螺旋压缩弹簧的特性线为一直线,亦即刚度为常数,即上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数在设计时应保持其线性特性,弹簧的最大工作载荷应小于极限载荷,一般Fmax=0.8Flim,为使弹簧具有比较稳定的刚度,弹簧的工作变形量一般取(0.2~0.8)λmin;最小工作载荷Fmin取为(0.1~0.5)Fmax。2.圆柱形拉伸螺旋弹簧特性曲线如图15-1(b)为拉伸弹簧的特性线,拉伸弹簧分无初应力和有初应力两种,F0为拉伸弹簧的初拉力,用不需要淬火、回火材料制成的密卷拉伸弹簧,在簧圈间形成的轴向压力即是初拉力,当所加载荷超过初拉力后,弹簧才开始变形,卷绕成形后,需要淬火的弹簧没有初拉力。上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数初拉力计算式为式中:τ0为初切应力,MPa;F0为初拉力,N;d为弹簧丝直径,mm;D为弹簧卷中径,mm。当弹簧直径d<5mm时,初拉力值F0≈Flim/3;d>5mm时,F0≈Flim/4。初拉力F0亦可按弹簧指数C选取,C≤10时,F0=(0.2~0.3)Flim;C>10时,F0=(0.1~0.2)Flim。式(15-1)中初切应力为τ0,其可在图15-1中的阴影区范围内选取,亦可用式(15-2)计算。上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数式中:G为切变模量,MPa。无初应力弹簧的特性线和压缩弹簧的特性线完全相同,如图15-1(b)所示。其拉伸变形量有初应力的拉伸弹簧如图15-1(b)所示。因这种弹簧有轴向压缩力,要将弹簧拉长,必先给弹簧足够的初拉力F0,用以克服轴向压缩力,然后继续加载使弹簧伸长。由于这种弹簧的拉伸变形是在初拉力F0作用开始后继续加载下才产生的。当拉伸载荷增加到Fmax时,载荷增加量为Fmax-F0,拉伸变形量为上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数二、弹簧的结构1.圆柱形压缩螺旋弹簧的结构压缩弹簧端部结构形式多样,按工作需要亦可自行设计,一般弹簧两端有圈与邻圈并紧,只起支承或固定作用,不作弹簧变形,称为支承圈。支承圈的数目与弹簧端部结构形式有关,其端部结构形式如表15-4所示。一般要保证支承面与弹簧轴线垂直,如YⅠ型,两端圈并紧磨平,两端与支承座接触好,不致歪斜,工作稳定性好。两端圈不并紧、不磨平,如YⅢ型,一般用于弹簧丝直径小,不太重要的地方。上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数2.圆柱形拉伸螺旋弹簧的结构圆柱形拉伸螺旋弹簧端部有挂钩,以便安装和加载,表15-5列举了拉伸弹簧的几种端部结构形式,常用的为钩环式。钩环由弹簧圈弯曲而成,由于是强烈地弯曲成形,在钩环内侧产生高的应力,降低拉伸弹簧的强度。为减轻这种影响,可采用附加钩环结构,如表15-5中可调式弹簧,但成本较高。上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数三、圆柱形螺旋弹簧的几何参数圆柱形压缩弹簧和拉伸弹簧的基本几何参数如图15-2所示,基本几何参数之间的相互计算公式见表15-6。圆柱弹簧的主要尺寸有:弹簧丝直径d,弹簧外径D2,弹簧内径D1,弹簧中径D,节距t,螺旋角α,自由长度H0,变形量λ。在弹簧设计中,弹簧指数C是设计中最重要的参数之一,C=D/d,弹簧指数愈小,其刚度K愈大,则弹簧愈硬。常用弹簧指数的选择见表15-7。圆截面弹簧丝材料的直径系列及弹簧圈的中径系列根据GB/T1358—2009规定,下面列出常用值。簧丝直径系列/mm:1,1.2,1.6,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,6,8,10,12,16,20,25,30,35,40;上一页下一页返回15.2圆柱形螺旋弹簧的结构和几何参数弹簧圈中径(平均直径)尺寸/mm:4,4.2,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,10,12,14,16,18,20,22,25,28,30,32,38,42,45,48,50,52,55,58,60,65,70,80,90,95,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,300。上一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算一、弹簧的强度计算1.弹簧的受力当弹簧受轴向压力F时,在弹簧丝任何截面上均受扭矩、弯矩、切向力、法向力,因此螺旋弹簧丝的受力就相当于曲杆受扭矩和切向力。2.弹簧的应力弹簧的受力较为复杂,综合考虑弹簧受力的影响,弹簧丝横切面上的最大扭转切应力应满足下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算式中:称为曲度系数,弹簧丝直径为式中:[τ]为许用剪应力,MPa;F为最大工作载荷;C为弹簧指数,由表15-7查得。上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算二、弹簧的变形计算由弹簧的强度计算确定了弹簧圈的中径D和选定弹簧丝的直径d,圆柱形螺旋弹簧在轴向载荷的作用下产生轴向变形,其变形量为λ,由变形量可得到弹簧刚度,由弹簧刚度确定有效圈数。1.圆柱形螺旋弹簧的变形弹簧变形量公式为上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算式中:n为弹簧的有效圈数;G为弹簧材料的切变模量,MPa,由表15-2查得。在最大的轴向载荷Fmax的作用下,弹簧将产生最大的轴向变形量λmax。对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧,其拉伸变形量如式(15-3)所示。对于有初应力的拉伸弹簧,其拉伸变形量如式(15-4)所示。2.弹簧的圈数和刚度由式(15-3)可得出弹簧的圈数。压缩弹簧上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算拉伸弹簧对于拉伸弹簧,n1>20时,一般为整圈数;n1<20时,则可圆整为1/2圈。对于压缩弹簧,总圈数n1的尾数取1/4、1/2或整圈,常用1/2圈。弹簧的有效圈数n≥2,才能保证弹簧具有稳定性。由式(15-8)可得上一页下一页返回15.3圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧的设计计算弹簧刚度为由式(15-10)可知旋绕比C值的大小,对弹簧的刚度影响甚大,所以要合理选择C值。C值小,弹簧的刚度愈大,曲率就大,弹簧的制圈加工困难,工作时引起较大的扭转切应力。但C值太大,弹簧圈成后也易松开,C值越大,弹簧刚度越小,弹簧就越软,易产生轴向颤动,在设计时,要综合考虑。上一页返回15.4工程应用案例:弹簧式凸轮-顶杆夹紧机构弹簧式凸轮-顶杆夹紧机构是一典型的弹簧应用案例,其结构(图15-3)与功能描述如下。图5-3所示夹紧机构中,凸轮1与手柄a固连,当凸轮绕轴心A转动时,其工作面b沿着顶杆2的端面c滑动,而顶杆沿着固定导路3移动。下一页返回15.4工程应用案例:弹簧式凸轮-顶杆夹紧机构因此,若反时针方向转动手柄,则凸轮使顶杆向左移动,将工件相对于固定面d夹紧;若顺时针方向转动手柄,则弹簧4使顶杆向右移动,工件被松开。上一页返回表15-1弹簧的基本类型