徐小斌《機械設計》課件第16章彈簧1.ppt

長江大學專用 作者： 潘存云教授,第16章 彈 簧,16-1 彈簧概述,16-2 圓柱螺旋彈簧的結構、制造、 材料及許用應力,16-5 其它彈簧簡介,16-3 圓柱螺旋拉壓彈簧的設計計算,16-4 圓柱螺旋扭轉彈簧的設計計算,長江大學專用 作者： 潘存云教授,工作特點：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形， 在機械設備中被廣泛用作彈性元件。,功用： 1. 控制機構運動或零件的位置; 如凸輪機構、離合器、閥門等；,16-1 彈簧的功用和類型,3. 存儲能量; 如鐘表儀器中的彈簧；,4. 測量力的大小 ；如彈簧秤中的彈簧,螺旋 彈簧,圓柱形,截錐形,按形狀分,按受載分,拉伸彈簧,壓縮彈簧,扭轉彈簧,5. 改變系統(tǒng)的自振頻率。,分類,2. 緩沖吸振; 如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；,長江大學專用 作者： 潘存云教授,分類,螺旋彈簧,圓柱形,截錐形,按受載分,拉伸彈簧,壓縮彈簧,扭轉彈簧,環(huán)形彈簧,平面渦圈彈簧 儀表中儲能用,板彈簧,碟形彈簧,潘存云教授研制,潘存云教授研制,長江大學專用 作者： 潘存云教授,16-2 圓柱螺旋彈簧的結構、制造方法、 材料及許用應力,一、圓柱螺旋彈簧的結構形式,壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距 。,支承圈或死圈兩端有3/45/4圈并緊，以使彈簧站立平直，這部分不參與變形。,磨平,端部磨平重要彈簧,端部不磨平 一般用途,磨平長度不小于3/4圈，端部厚度近似為d/4,壓縮彈簧的總圈數(shù)：,n1 = n+(1.52.5),為使工作平穩(wěn)，n1的尾數(shù)取1/2,變形用,n為有效圈數(shù),圓柱螺旋壓縮彈簧,長江大學專用 作者： 潘存云教授,拉伸彈簧,（1）各圈相互并緊=0；,（2）制作完成后具有初拉力；,（3）端部做有拉鉤，以便安裝 和加載。,拉鉤形式：半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、轉鉤、可調轉鉤。,改進后的結構,拉伸彈簧的結構尺寸計算與壓縮彈簧相同。,特點：結構簡單、制造容易、但彎曲應力大。應用于中小載荷與不重要的場合。,特點：彎曲應力小。適用于變載荷的場，但成本較高。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,二、彈簧的制造,制造過程：卷繞、端面加工(壓簧)或拉鉤制作（拉簧或扭簧）、熱處理和工藝性試驗。,冷卷：d10 mm,熱卷：d 10 mm，卷制溫度：8001000, 低溫回火，消除應力, 淬火、回火,經(jīng)強壓處理可提高承載能力,強壓處理：將彈簧預先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持一定時間后卸載，使簧絲表面層產(chǎn)生與工作應力相反的殘余應力，受載時可抵消一部分工作應力。, 對于重要壓縮彈簧，為了保證承載面與軸線垂直，端部應磨平 拉伸彈簧，為了便于聯(lián)接與加載，兩端制有拉構，,工藝試驗包括：耐沖擊、疲勞等試驗,長江大學專用 作者： 潘存云教授,三、彈簧的材料及許用應力,要求：高的彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、 塑性和良好的熱處理性能。,材料：優(yōu)質碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、有色金屬合金。,彈簧的材料,碳素彈簧鋼：含碳量在0.6 % 0.9%之間，如65、70、85,合金彈簧鋼：硅錳鋼、鉻釩鋼。,有色金屬合金：硅青銅、錫青銅、鈹青銅。,優(yōu)點：容易獲得、價格便宜、熱處理后具有較高的強 度，適宜的韌性和塑性。,缺點：當d12 mm，不易淬透，故僅適用于小尺寸的 彈簧。,優(yōu)點：適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高 的彈簧。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,選用原則： 充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質、工作溫度和周圍介質的情況）、功用及經(jīng)濟性等因素。一般應優(yōu)先采用碳素碳簧鋼絲。,彈簧的許用應力,彈簧的許用應力主要取決材料品質、熱處理方法、載荷性質、彈簧的工作條件和重要程度，以及簧絲的尺寸等,彈簧按載荷分為三類：,I類彈簧： 受變載荷作用次數(shù)106，或很重要的彈簧。,II類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103 105 ，或受沖擊 載荷的彈 簧，或受靜載荷的重要彈簧。,III類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103 ，或受靜載荷 的彈簧。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,長江大學專用 作者： 潘存云教授,長江大學專用 作者： 潘存云教授,節(jié)距：t = d +,max 最大變形量。F2為最大載荷,通常 t(0.30.5)D2 , =59,螺旋升角：,彈簧絲的展開長度:,自由高度:,H0=n+(n1+1)d,兩端并緊不磨平結構：,H0=n+(n1-0.5)d,對于兩端并緊磨平結構,并緊高度： Hs =,(n1+1)d,(n1-0.5)d,一、幾何尺寸計算,16-3 拉伸(壓縮)彈簧的設計計算,長江大學專用 作者： 潘存云教授,表16-3 圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計算,長江大學專用 作者： 潘存云教授,長江大學專用 作者： 潘存云教授,二、 彈簧的特性曲線,特性曲線 載荷-變形曲線,壓縮彈簧的特性曲線,壓縮彈簧的特性曲線,長江大學專用 作者： 潘存云教授,最小工作載荷:,Fmin=（0.10.5）Fmax,最大工作載荷 Fmax,在Fmax的作用下，max,彈簧在安裝位置所受壓力，它能使彈簧可靠地穩(wěn)定在安裝位置上。,極限載荷 Flim,壓縮彈簧的特性曲線,最小變形 min,對應的變形max,極限變形 lim,0.8n 保證不并緊,彈簧剛度,彈簧勢能 E,一般取 Fmax 0.8Flim,長江大學專用 作者： 潘存云教授,拉伸彈簧的特性曲線,（1）沒有預應力,特性曲線通過坐標原點,長江大學專用 作者： 潘存云教授,特性曲線不通過坐標原點。,拉伸彈簧的特性曲線,（2）有預應力,若工作載荷小于克服預應力所需的初拉力F0，則彈簧不會變形；只有當FF0時彈簧才開始變形。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,故截面BB上的載荷可近似取為：,彈簧受軸向載荷F時，作用在軸向截面AA上的有,扭矩 T=FD2/2,軸向力 F,在法面BB上的力有,橫向力 F “,軸向力 F,彎矩 M=Tsin,扭矩,=59 sin0, cos1,扭矩 T=FD2/2,=Fcos,=Fsin,T=Tcos,橫向力 F,三、彈簧受載時的應力與變形,簧絲受力分析,長江大學專用 作者： 潘存云教授,截面受力,剪切應力,彈簧的應力,扭切應力,合成應力,長江大學專用 作者： 潘存云教授,C旋繞比，或彈簧指數(shù)。,未考慮簧絲曲率的應力,由于0.5/C遠小于1，故由F引起的剪切應力可忽略。,若考慮螺旋升角和簧絲曲率對應力集中的影響，實際應力分布與理論分析有差別。,實踐證明，彈簧內側m點最容易產(chǎn)生破壞。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,彈簧的曲度系數(shù),強度條件,設計公式,其值可直接查表下表可得,引入系數(shù)K來補償螺旋升角和簧絲曲率的影響，得,長江大學專用 作者： 潘存云教授,彈簧的變形,在軸向載荷的作用下，彈簧產(chǎn)生軸向變形，取微段分析,微段軸向變形量d,C ,k,C值過小制造困難，內側應力；,常用值 C=58 。,C值過大彈簧容易顫動。,n為有效圈數(shù),G-材料的切變模量：,根據(jù)材料力學有關圓柱 螺旋彈簧變形的計算公式,鋼 G=8104 MPa, 青銅 G=4104 MPa,長江大學專用 作者： 潘存云教授,彈簧的最大變形量：,（1）對于壓縮彈簧和無預應力拉伸彈簧,（2）對于有預應力的拉伸彈簧,拉伸彈簧的初拉力取決于材料、簧絲直徑、旋繞比和加工方法。可按右圖選取。,初拉力的計算,長江大學專用 作者： 潘存云教授,四、彈簧設計計算步驟,設計要求,有足夠的強度,符合載荷變形曲線的要求（剛度要求）,不發(fā)生側彎(失穩(wěn)),已知條件：最大工作載荷Fmax和相應的變形max，其 它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）,計算步驟：,(1)選擇彈簧材料及結構形式；,(3)根據(jù)安裝空間初設彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應力；,(4)試算簧絲直徑,(2) 選擇旋繞比C，通常可取C 5 8，并算出補償系數(shù)K值；,長江大學專用 作者： 潘存云教授,(5)根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù),對于有預應力的拉伸彈簧,對于壓縮彈簧或無預應力的拉伸彈簧,(6) 檢查D2、D1、H0是否符合安裝要求等;,(7) 驗算,強度驗算,振動驗算,穩(wěn)定性驗算,強度校核,長江大學專用 作者： 潘存云教授,(a)疲勞強度校核,F1安裝載荷；,1預壓變形量；,F2最大載荷；,2最大變形量；,強度條件,當彈簧的設計計算及材力學性能數(shù)據(jù)精確性高時，取SF=1.31.7； 當精確性低時，?。篠F=1.82.2。,0的含義按下頁表選取,長江大學專用 作者： 潘存云教授,(b)靜強度校核,強度條件,當彈簧的設計計算及材力學性能數(shù)據(jù)精確性高時，?。?SS =1.31.7； 當精確性低時，?。?SS =1.82.2。,振動驗算,對于承受變載荷的彈簧，當加載頻率很高時， 容易引起彈簧的諧振而導致彈簧破壞。因此要進行振動驗算，以保證工作頻率遠低于基本自振頻率。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,圓柱螺旋彈簧的基本自振頻率為,將kF和mS代入后，可得,其中彈簧剛度,彈簧質量系數(shù),為避免彈簧發(fā)生嚴重振動，要求,當不能滿足以上要求時，應重新設計，增大kF或減小mS。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,失穩(wěn),當b大于許用值時，彈簧工作時會彎曲而失穩(wěn)。,高徑比 b= H0 / D2, 5.3 兩端固定的彈簧, 3.7 一端固定，一端自由轉動, 2.6 兩端自由轉動,穩(wěn)定性驗算,穩(wěn)定條件 Fc=CukFH0Fmax,其中 Fc 穩(wěn)定時的臨界載荷；,Cu不穩(wěn)定系數(shù),長江大學專用 作者： 潘存云教授,失穩(wěn),注意： 導桿、導套與彈簧之間的間隙不能太大，工作時需加潤滑油。,內部加裝導向桿 或外部加導向套,若Fc Fmax，則要重新選取參數(shù)，以保證彈簧的穩(wěn)定性。如果受條件限制，不能改變參數(shù)時，可采取如下措施,長江大學專用 作者： 潘存云教授,一、圓柱螺旋扭轉彈簧的結構,結構:,特點：外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。,16-4 圓柱螺旋扭轉彈簧的設計計算,扭轉彈簧的軸向長度 H0=n(d+0)+2Hh,n有效圈數(shù)；,0 軸向間距，一般取0 =0.10.5 mm,d簧絲直徑;,2Hh 掛鉤長度;,長江大學專用 作者： 潘存云教授,二、扭轉彈簧的特性曲線,在材料的彈性極限內，扭轉彈簧的載荷(扭矩)與變形(轉角) ，特性曲線也是呈線性變化。,Tlim 、lim 極限工作扭轉及極限轉角;,Tmax 、max 最大工作扭轉及轉角;,Tmin 、min 最小工作扭轉及轉角;,一般取 Tmin =(0.10.5) Tmax 。,應用實例：用于壓緊和儲能，如門的自動復位、電機中保持電刷的接觸壓力等。,長江大學專用 作者： 潘存云教授,強度條件,扭轉變形,W截面系數(shù), 1.25,E材料彈性模量，I簧絲截面慣性矩， n彈簧有效圈數(shù)， D2彈簧中徑 。,三、圓柱螺旋扭轉彈簧的計算,在扭矩T作用下，簧絲任意截面BB內的載荷為,彎矩 M=Tcos,因為很小，則可認為扭簧只承受彎矩 MT,扭矩 T=Tsin,剛度,長江大學專用 作者： 潘存云教授,（1）對于精度高的扭轉彈簧，圈與圈之間應留有間隙，以免載荷作用下，因摩擦而影響其特性曲線。,（2）扭轉彈簧的旋向應與外加力矩一致。彈簧內側的最大工作應力（壓）與卷繞產(chǎn)生的殘余應力（拉）反向（抵消），從而提高承載能力。,（3）心軸和彈簧內徑之間必須留有間隙。避免因D2減小而抱軸。,設計要點：,已知條件：最大工作載荷Fmax和相應的變形max，其 它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）,設計確定：彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧 的螺旋升角和長度等。,四、圓柱螺旋扭轉彈簧的設計步驟,長江大學專用 作者： 潘存云教授,計算步驟：,(1)選擇彈簧材料及許用應力，以及扭簧的結構形式；,(3)根據(jù)安裝空間初設彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應力；,(4)試算簧絲直徑d,(2) 選擇旋繞比C，通?？扇 5 8，并算出補償系數(shù)K1值；,檢查尺寸是否合適。,(5)根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù),(6)計算彈簧絲長度,長江大學專用 作者： 潘存云教授,環(huán)形彈簧,板 簧,潘存云教授研制,16-5 其它彈簧簡介,渦卷彈簧,碟形彈簧,長江大學專用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,一、碟形彈簧,結構特點：用鋼板沖制而成，外形象碟子。往往將多個組合使用,載荷、變形：軸向力沿周邊均勻分布、h變小而產(chǎn)生軸向變形。,特性曲線：呈非線性，變形取決于比值h/t變化。,重要特性：當h/t1.5時，中間一段接近于水平。,利用這一特性可在一定變形范圍內保持載荷的恒定。例如在精密儀器中，可利用碟形彈簧使軸承端面的摩擦力不受溫度變化的影響；在密封墊圈中利用這一特性使密封性能不受溫度的影響。,潘存云教授研制,長江大學專用 作者： 潘存云教授,加載,卸載,碟形彈簧組合形式,對合式組合彈簧,變形量增加，承載力不變。,由于簧片之間存在摩擦損失，導致加載和卸載特性曲線不一樣。, 吸振能力,復合式彈簧：,疊合式組合彈簧,摩擦阻尼大，特別適用于緩沖和吸振,在變形量不變時，承載力大大增加 。,摩擦消耗的能量陰影面積,可同時增加變形量和承載能力,長江大學專用 作者： 潘存云教授,優(yōu)點：,變形量小、承載能力大、在受載方向空間尺寸小。,用途：,常用作重型機械、飛機等的強力緩沖彈簧，以及在離合器、減壓閥、密封圈、自動控制機構中獲得了廣泛地應用。,缺點：