第二十四章彈簧

1、第二十四章 彈簧 第一節(jié) 概述第二節(jié) 彈簧的材料和制造第三節(jié) 圓柱螺旋壓縮、拉伸彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算第四節(jié) 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧15-1概述第一節(jié) 概 述1彈簧的功用 彈簧是一種彈性的元件，它具有剛度小、變形大、在載荷作用下易產(chǎn)生較大彈性變形等特點(diǎn)，在各類機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛。2彈簧的分類按彈簧承受的載荷分：拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧彎曲彈簧按彈簧的形狀分：螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞制成的，由于制造簡便，所以應(yīng)用最廣。在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。 彈簧的主要功用有：控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動、緩沖和減振、儲存能量、測力以及改變機(jī)器的自振頻率等。螺旋彈簧碟形彈簧板簧盤簧等環(huán)形彈簧各類彈簧虛擬現(xiàn)實(shí)中的彈簧（詳見表24

2、1）二、彈簧特性線和剛度彈簧特性線：是表示彈簧載荷和變形之間關(guān)系的曲線。概述2彈簧剛度：彈簧產(chǎn)生單位變性所需要的載荷。在數(shù)值上，彈簧剛度等于彈簧特性線上某點(diǎn)的斜率。 彈簧特性線有：直線型、剛度漸增型、剛度漸減型或幾種的組合。概 述ddFc 彈簧剛度式中：F彈簧所受的載荷（N）；彈簧的變性量（mm）。 直線型特性線彈簧具有不變的剛度；非直線性特性線彈簧具有變剛度，稱為變剛度彈簧。三、彈簧變性能彈簧變性能：是指彈簧變形后所儲存的能量。概述2 如加載曲線與卸載曲線不重合，則兩者圍成的面積，表示在彈簧變形過程中，因摩擦消耗的能量。摩擦消耗的能量越大，則彈簧的吸振能力越強(qiáng)。概 述15-2圓柱螺旋彈簧的結(jié)

3、構(gòu)材料制造1第二節(jié) 彈簧的材料和制造一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋壓縮彈簧 圓柱螺旋拉伸彈簧詳細(xì)介紹詳細(xì)介紹螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材料制造2二、彈簧的材料及許用應(yīng)力為了使彈簧能夠可靠地工作，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。選擇彈簧材料時，應(yīng)考慮其用途、使用條件(載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性、工作持續(xù)時間、工作溫度等)以及加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素。1）碳素彈簧鋼(如65、70鋼)：價格便宜，但彈性極限低；低錳彈簧鋼(如65Mn)：淬透性好、強(qiáng)度較高，淬火后易產(chǎn)生裂紋；硅錳彈簧鋼(如60Si2MnA)：彈性極限高，回火穩(wěn)定性好；鉻釩鋼(如50CrVA

4、)：耐疲勞和抗沖擊性能好，價格貴，用于要求高的 場合。2）合金彈簧鋼3）特殊鋼、銅合金和非金屬材料等（詳見表242）三、圓柱螺旋彈簧的制造卷制掛鉤的制作或端面圈的精加工熱處理工藝試驗(yàn)及強(qiáng)壓處理。 螺旋彈簧的制造工藝包括：詳細(xì)介紹許用應(yīng)力 彈簧材料的許用應(yīng)力與彈簧的類型、材料的力學(xué)性能、簧絲直徑和載荷性質(zhì)等有關(guān)，見表242。卷制分為：冷卷：用于簧絲直徑 d810mm的彈簧。熱卷：卷成后必須進(jìn)行淬火、中溫回火等處理。強(qiáng)壓處理可以提高彈簧的承載能力。螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材料制造315-3圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算1一、幾何參數(shù)計(jì)算詳細(xì)介紹第三節(jié) 圓柱螺旋壓縮、拉伸彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算普通圓柱螺旋彈簧的主要幾何尺寸有

5、：壓縮彈簧拉伸彈簧 外徑 D 中徑 D2內(nèi)徑 D1節(jié)距 t螺旋升角 彈簧絲直徑 d有效圈數(shù) n總?cè)?shù) n1自由高度或長度 H0 旋繞比 CD2/d圓柱螺旋彈簧計(jì)算2二、圓柱螺旋彈簧的承載過程 在彈簧的工作圖中，應(yīng)繪制彈簧特性線描述彈簧的承載過程。拉伸彈簧特性線壓縮彈簧特性線 圓柱螺旋彈簧的幾何尺寸公式見表246。Fmin安裝時彈簧所受的力，稱為彈簧的最小載荷。Fmax工作中彈簧所受的最大工作載荷 。Fj 使簧絲內(nèi)應(yīng)力達(dá)到彈性極限的載荷，稱為彈簧的極限載荷。 Fmin、Fmax 、Fj 作用下彈簧的高度或長度分別用H1、H2、H3表示。相應(yīng)的變形量分別用min、max、j 表示。顯然有jjFFF

6、maxmaxminmin通常，取 Fmin=（0.10.5）Fmax； 取 Fmax 0.8Fj 。 圓柱螺旋彈簧計(jì)算3cDdF2308三、強(qiáng)度計(jì)算 圓柱螺旋彈簧受壓或受拉時，彈簧絲的截面上主要受到橫向剪力F 和扭矩T=FD2 / 2。下面以壓縮彈簧承受軸向載荷的情況進(jìn)行分析。D/2FFT=FD2d 1. 彈簧的受力分析 有初扭應(yīng)力的拉伸彈簧的初扭應(yīng)力 c 見圖246。初拉力F0由下式計(jì)算詳細(xì)介紹圓柱螺旋彈簧計(jì)算4232maxd88FCKdFDK 2. 彈簧絲的應(yīng)力分析 詳細(xì)介紹 由于螺旋彈簧的簧絲是曲桿，受軸向載荷 F 作用時，將在簧絲內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大切應(yīng)力。CCCK615. 04414式中：K

7、曲度系數(shù) ；C旋繞比，見表247。圓柱螺旋彈簧計(jì)算5 CKFdmax6 . 1 32maxmax8dDFK3. 強(qiáng)度計(jì)算 強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：詳細(xì)介紹四、剛度計(jì)算 圓截面簧絲螺旋彈簧在軸向載荷 F 作用下，所產(chǎn)生的變形量為：GdnFCGdnFD343288GdnCF3maxmax8最大工作載荷 Fmax 作用下的變形量max：壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉簧：圓柱螺旋彈簧計(jì)算6nCGdFc38GdnCFF30maxmax)(8有初應(yīng)力的拉簧：彈簧的有效圈數(shù) n：3maxmax8CFGdn壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉簧：30maxmax)(8CFFGdn有初應(yīng)力的拉簧：彈簧的剛度 c：四、穩(wěn)定性計(jì)算 如果螺旋壓

8、縮彈簧的高度過大，在軸向載荷 F 作用下，可能會產(chǎn)生側(cè)彎失穩(wěn)。圓柱螺旋彈簧計(jì)算7圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 為避免失穩(wěn)，應(yīng)按表248選擇高徑比 b=H0/D2 。 如高徑比超出表248所列范圍，必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。應(yīng)滿足的條件為：max05 . 22(FcHCFbc）式中：Fc不失穩(wěn)的臨界載荷（N)；Cb不穩(wěn)定系數(shù)，見圖2410。圓柱螺旋彈簧計(jì)算8四、設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖15-4受變載荷螺旋彈簧的計(jì)算1 SSmaxmin075. 02minmin8dKCF第四節(jié) 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧一、疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、靜強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)算 應(yīng)滿足的條件為：2maxmax8dKCF式中：min 、 max 分別為彈簧的最小切應(yīng)

9、力和最大切應(yīng)力（MPa)；0 為彈簧材料的脈動剪切疲勞極限（MPa)。見表249 ssSSmax 應(yīng)滿足的條件為：式中：s為彈簧材料的剪切屈服點(diǎn)（MPa)。見表242受變載荷螺旋彈簧的計(jì)算2三、振動驗(yàn)算gff)2010( 應(yīng)滿足的條件為：式中： fg為彈簧的工作頻率（Nz)； f為彈簧基本自激振動固有頻率（Nz)。mcf21式中： c為彈簧剛度（Nm)； m為彈簧質(zhì)量（kg)； 四、圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)方法和步驟: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料；2) 選擇旋繞比C，通?？扇 5 8，并算出補(bǔ)償系數(shù)K值；3) 根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取

10、彈簧絲 的許用應(yīng)力；4) 試算彈簧絲直徑d5) 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) 檢查D2、D1、H0是否符合安裝要求等;7) 驗(yàn)算： KCFdmax6 . 1max30max)(8CFFGdnmax3max8CFGdn 受變載荷螺旋彈簧的計(jì)算3強(qiáng)度驗(yàn)算振動驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算1一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)及特性曲線二、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧受載時的應(yīng)力及變形扭轉(zhuǎn)彈簧主要用于壓緊、儲能或傳遞扭矩。1圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)2圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的特性曲線詳細(xì)介紹minmaxlimTTlimTmaxTmin圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧工作時，彈簧絲主要承受彎曲應(yīng)力作用。應(yīng)力與變形分析詳細(xì)介紹圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算2 設(shè)計(jì)方法和步驟: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料及許用應(yīng)力；2) 選擇旋繞比C，并算出補(bǔ)償系數(shù) K1值； 3)試算彈簧絲直徑dbTKd1 . 0max14) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：TDEIn1805）計(jì)算彈簧絲長度：hLDnL檢查各尺寸是否合適； 三、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)