機械設(shè)計第十六章

1、16-1 概述概述工作特點：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形，在 機械設(shè)備中被廣泛用作彈性元件。功用： 1、控制機構(gòu)運動或零件的位置，如離合器 2、緩沖吸振，如車輛懸架 3、存儲能量，如鐘表 4、測量力的大小，如彈簧秤 5、改變系統(tǒng)的自振頻率分類螺旋彈簧 按形狀分 按受載分 拉伸彈簧 壓縮彈簧 扭轉(zhuǎn)彈簧 環(huán)形彈簧 平面渦圈彈簧 板彈簧 碟形彈簧 圓柱形 圓錐形 16-2圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造、材料及許用應(yīng)力圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造、材料及許用應(yīng)力 彈簧的節(jié)距p 自由狀態(tài)間距 最大載荷作用下11=0.1d0.2mm d為彈簧絲的直徑 公式解釋：d2mm，最小距離1為0.1d，當(dāng)d2mm，

2、最小距離1為0.2mm，至少保證0.2mm。1.圓柱螺旋壓縮彈簧死圈：彈簧的兩個端面圈應(yīng)與鄰圈并緊，只起支承作用， 不參與變形。數(shù)量：當(dāng)彈簧的工作圈數(shù)n7時，每端的死圈約為11. 75圈。彈簧端部的結(jié)構(gòu)有多種形式兩個端面圈均與鄰圈并緊且磨平并緊不磨平加熱卷繞時彈簧絲兩端鍛扁且與鄰圈并緊 在重要的場合，應(yīng)采用yi型以保證兩支承端面與彈簧的軸線垂直，從而使彈簧受壓時不致歪斜。 彈簧絲直徑d0.5mm，彈簧的兩支承端面可不必磨平。 d0.5mm的彈簧，兩支承端面則需磨平。 磨平部分應(yīng)不少于圓周長的3/4，端頭厚度一般不小于d/8，端面表面粗糙度應(yīng)低于ra25m。2.圓柱螺旋拉伸彈簧空載時各圈應(yīng)相互并

3、攏卷繞的過程中同時扭轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力外加拉力預(yù)應(yīng)力各圈才開始分離 節(jié)省軸向的工作空間拉伸彈簧的端部制有掛鉤，以便安裝和加載 li型和lii型制造方便，應(yīng)用很廣。但因在掛鉤過渡處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，故只宜用于彈簧絲直徑d10 mm的彈簧中。lvii、lviii型掛鉤不與彈簧絲連一體，適用于受力較大的場合。螺旋彈簧的制造工藝 1、卷制 2、掛鉤 3、端面圈精加工 4、熱處理 5、工藝試驗 6、強壓處理冷卷：用于預(yù)先熱處理后拉成的直徑d(810) mm的彈簧絲熱卷：溫度隨彈簧絲的粗細在8001000的范圍內(nèi)選擇熱處理：冷卷回火 熱卷淬火+中溫回火處理強壓處理：超過極限載荷持續(xù)648h，產(chǎn)生有益的殘余應(yīng) 力，

4、不適用長期振動、高溫或腐蝕性介質(zhì)情況106103105103s：靜d：動l：低m：中h：高常用彈簧鋼主要有下列幾種：碳素彈簧鋼：價廉，多次重復(fù)變形后易失去彈性，工作溫 度130低錳彈簧鋼：淬透性較好和強度較高，淬火后容易產(chǎn)生裂 紋及熱脆性，用于尺寸不大彈簧硅錳彈簧鋼：彈性極限顯著提高，回火穩(wěn)定性好，用于汽 車、拖拉機的螺旋彈簧鉻釩鋼：組織細化、強度和韌性好、耐疲勞和抗沖擊性能 良好，-40210的溫度下可靠工作，但價格較貴。 多用于要求較高的場合，如用于制造航空發(fā)動機 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的彈簧。16-3 圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧的設(shè)計計算(一)幾何參數(shù)計算 外徑d2、中徑d、內(nèi)徑d1、節(jié)距p、螺旋升角

5、及彈簧絲直徑d。arctanpd壓縮彈簧長細比壓縮彈簧長細比b b b b =h0/d2 b在在15.3的范圍選取的范圍選取表16-3 計算公式計算公式 壓縮彈簧壓縮彈簧 拉伸彈簧拉伸彈簧 參數(shù)名稱及代號參數(shù)名稱及代號中徑中徑d d d d = =cdcd 取標(biāo)準(zhǔn)值取標(biāo)準(zhǔn)值 自由高度或長度自由高度或長度h0 0有效圈數(shù)有效圈數(shù)n備備 注注hh h為鉤環(huán)展開長度為鉤環(huán)展開長度兩端并緊，磨平；兩端并緊，磨平；h0pn+(1.52)d兩端并緊，不磨平；兩端并緊，不磨平；h0pn+(33.5)dmmmm內(nèi)徑內(nèi)徑d d1 1 d d1 1= =d d - -d d 旋繞比旋繞比c c c c = =d

6、d / /d d 外徑外徑d d2 2 d d2 2= =d d + +d d h0 =nd+hhhn = h0 -n hn = h0 + n n 為工作變形量為工作變形量 n2按按16-1116-11計算計算工作高度或長度工作高度或長度拉伸彈簧拉伸彈簧n1 1尾數(shù)為尾數(shù)為1/41/4、1/21/2、3/43/4、整圈，推、整圈，推薦用薦用1/21/2圈圈續(xù)表續(xù)表16-316-3 計算公式計算公式 壓縮彈簧壓縮彈簧 拉伸彈簧拉伸彈簧 參數(shù)名稱及代號參數(shù)名稱及代號總?cè)?shù)總?cè)?shù)n1 1節(jié)距節(jié)距 p p=(0.280.5)d p=d 軸向間距軸向間距 = =p p- -d d展開長度展開長度l l螺

7、旋角螺旋角 質(zhì)量質(zhì)量ms備備 注注lh h為鉤環(huán)展開長度為鉤環(huán)展開長度對壓縮螺旋彈簧，推對壓縮螺旋彈簧，推薦用薦用=5 9 為材料的密度，對各種為材料的密度，對各種鋼，鋼， =7700kg/m=7700kg/m3 3; ; 對鈹青銅，對鈹青銅，=8100kg/m3 n1 1= =n冷卷：冷卷： n1=n+(22.5)yiiyii型熱卷：型熱卷： n1=n+(1.52)dn1 1coscosl l=-=-=tan-1(p/d) l ldn+ +lh h d2 24 4ms s=-=-l mmmm表16-3 續(xù)(二)特性曲線h0沒有受力變形的自由長度fmin預(yù)加壓力h1預(yù)加壓力下彈簧長度min預(yù)加

8、壓力下彈簧變形量fmax最大工作載荷h2最大工作載荷下彈簧長度max最大工作載荷下彈簧變形量flim極限載荷h3極限載荷下彈簧長度lim極限載荷下彈簧變形量無預(yù)緊力有預(yù)緊力f0 有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧相當(dāng)于有預(yù)變形x。在同樣的f作用下，有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧產(chǎn)生的變形要比沒有預(yù)應(yīng)力時小。fmin=(0.10.5)fmaxfmax0.8flim(三)圓柱螺旋彈簧受載時的應(yīng)力及變形 截面形狀：多為圓截面，也有矩形截面fcosfsinfsinfcosa-a截面b-b截面f t=fd/2(扭矩)軸向力 fsin橫向力 fcos彎矩 tsin扭矩 tcosb-b截面軸向力 fsin橫向力 fcos彎矩 tsin

9、扭矩 tcos 由于彈簧螺旋升角一般取為 =59，故sin0，cos1 旋繞比 c=d/d c值的范圍為416橫向力扭矩 最大應(yīng)力產(chǎn)生在彈簧絲截面內(nèi)側(cè)的點m略去加入k為彈簧曲度系數(shù)圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧受載后的軸向變形量 n-彈簧的有效圈數(shù) g-彈簧材料的切變模量對于壓縮彈簧和無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧對于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 用不需淬火的彈簧鋼絲制成的拉伸彈簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力時，各圈間應(yīng)有間隙。經(jīng)淬火的彈簧，沒有初拉力。初拉力按下式計算合理選擇c就能控制彈簧的彈力(四)圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧的設(shè)計 1)根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其力學(xué)性能數(shù)據(jù)。 2)選擇旋繞比c，通常

10、可取c58(極限狀態(tài)時不小于4或超過16)，計算曲度系數(shù)k值。 3)根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑d，根據(jù)c值估取彈簧絲直徑d，并由表16-2查取彈簧絲的許用應(yīng)力。 4)試算彈簧絲直徑 當(dāng)彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲或65mn彈簧鋼絲時，鋼絲的許用應(yīng)力決定于b，b隨d變化，先假設(shè)d值，然后試算。最后的d、d、n及h0值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)表16-6。 5)根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù) 對于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 對于壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 6)求出彈簧的尺寸d2、d1、h0，并檢查其是否符合安裝要求等。如不符合應(yīng)改選有關(guān)參數(shù)(例如c值)重新設(shè)計。 7)穩(wěn)定性、疲勞強度、靜應(yīng)力強度、振動驗算例題16-1 設(shè)計一普

11、通圓柱螺旋拉伸彈簧。已知該彈簧在一般載荷條件下工作，并要求中徑d18mm，外徑d222 mm，當(dāng)彈簧拉伸變形量1=7.5mm時，拉力f1=180n，拉伸變形量2=17mm時，拉力f2=340n。1.根據(jù)工作條件選擇材料并確定其許用應(yīng)力 因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第iii類彈簧來考慮。現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲sl型。 d2-d22-18=4 估取彈簧鋼絲直徑為3.0mm2.根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲直徑 現(xiàn)選取旋繞比c=6直徑不夠13700.50.818/3=6 上值與原估取值相近，取彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)直徑d=3.4mm 取d=18mm3.根據(jù)剛度條件，計算彈簧圈數(shù) 彈簧剛度為彈簧圈數(shù)取n=14圈4.

12、驗算 (1)彈簧初拉力81.97mpa初應(yīng)力值合適5.294極限工作載荷5.進行結(jié)構(gòu)設(shè)計 選定兩端鉤環(huán)，并計算出全部尺寸(從略)中心臂扭轉(zhuǎn)彈簧16-4 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計計算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計計算(一)圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)及特性曲線 螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧在相鄰兩圈間一般留有微小的間距，以免扭轉(zhuǎn)變形時相互摩擦。內(nèi)臂扭轉(zhuǎn)彈簧外臂扭轉(zhuǎn)彈簧雙扭簧扭轉(zhuǎn)彈簧的特性曲線tmin=(0.10.5)tmax h0=n(d+0)+hh0彈簧相鄰兩圈間的軸向間距，一般取0.10.5mmhh掛鉤或桿臂沿彈簧軸向的長度(二)圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧受載時的應(yīng)力及變形曲度系數(shù)扭轉(zhuǎn)角彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度對于圓形截面(三)圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計 首先選定材料及許用應(yīng)力，并選擇c值 計算k1或暫取k1=1 對于圓形截面彈簧絲的彈簧帶撇表示中間變量若不成功，加大直徑扭轉(zhuǎn)彈簧圈數(shù)扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧絲長度 lh制作掛鉤或桿臂的彈簧絲長度例題16-2 試設(shè)計一niii型圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧。最大工作扭矩tmax=7nm，最小工作扭矩tmin=2nm，工作扭轉(zhuǎn)角 =max-min