機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件-彈簧

1、第 18 章 彈 簧18-1 彈簧的功用和類型18-2 圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應(yīng)力與變形18-3 彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力18-4 圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的設(shè)計(jì)18-5 其他彈簧簡介18-1 彈簧的功用和類型u彈簧的主要功用有：1)控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或零件的位置；2)緩沖及吸振；3)儲(chǔ)存能量；4)測量力的大小。u彈簧的種類有螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、平面渦卷彈簧和板彈簧等。u螺旋彈簧是用金屬絲(條)按螺旋線卷繞而成，由于制造簡便，所以應(yīng)用最廣。按其形狀可分為：圓柱形(圖18-1a 、 b、d）、截錐形(圖18-1c)等。按受載情況又可分為拉伸彈簧(圖18-1a）、壓縮彈簧(圖18-1b、c

2、)和扭轉(zhuǎn)彈簧(圖18-1d)。u環(huán)形彈簧(圖18-2a)和碟形彈簧(圖18-2b)都是壓縮彈簧，在工作過程中，一部分能量消耗在各圈之間的摩擦上，因此具有很高的緩沖吸振能力，多用于重型機(jī)械的緩沖裝置。u平面渦卷彈簧或稱盤簧(圖18-2c)，它的軸向尺寸很小，常用作儀器和鐘表的儲(chǔ)能裝置。u板彈簧(圖18-2d)是由許多長度不同的鋼板疊合而成，主要用作各種車輛的減振裝置。18-2圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應(yīng)力與變形 一、彈簧的應(yīng)力u圖18-3所示為一圓柱螺旋壓縮彈簧，軸向力F作用在彈簧的軸線上，彈簧絲是圓截面的，直徑為d，彈簧中徑為D2，螺旋升角為。一般，彈簧的螺旋升角很小(9)，可以認(rèn)為通過彈簧軸線

3、的截面就是彈簧絲的法截面。由力的平衡可知，此截面上作用著剪力F和扭矩T。u如果不考慮彈簧絲的彎曲，按直桿計(jì)算，以WT表示彈簧絲的抗扭截面系數(shù)，則扭矩T在截面上引起的最大扭切應(yīng)力(圖18-4)為 32328162dFDdDFWTTu若剪力引起的切應(yīng)力為均勻分布，則切應(yīng)力24dF u彈簧絲截面上的最大切應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)，即靠近彈簧軸線的一側(cè)（圖18-4)，其值為u令 23223221848DddFDdFdFDu則彈簧絲截面上的最大切應(yīng)力為) 118(2dDC)218(5 . 0182CdFCu式中：C稱為旋繞比，或稱為彈簧指數(shù)，是衡量彈簧曲率的重要參數(shù)；括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)為切應(yīng)力的影響。u較精確的分析指

4、出，彈簧絲截面內(nèi)側(cè)的最大切應(yīng)力(圖18-5)及其強(qiáng)度條件為u式中：F、C、d的意義同上；為材料的許用切應(yīng)力；K為彈簧的曲度系數(shù)，其計(jì)算式為)318(82dFCK)418(615. 04414CCCKuK值可根據(jù)旋繞比C直接從圖18-6查出。u式(18-4)中第一項(xiàng)反映了彈簧絲曲率對(duì)扭切應(yīng)力的影響。如圖18-5所示，彈簧絲在扭矩T作用下，截面a-a 與b-b 將相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度。由于內(nèi)側(cè)的纖維長度比外側(cè)的短(即a b ab)，這樣，內(nèi)側(cè)單位長度的扭轉(zhuǎn)變形就比外側(cè)的大，因此內(nèi)側(cè)的扭切應(yīng)力大于直桿的扭切應(yīng)力，而外側(cè)則反之。顯然，旋繞比C越小，內(nèi)側(cè)應(yīng)力增加越多。式(18-4)中的第二項(xiàng)反映了因“不均

5、勻分布對(duì)內(nèi)側(cè)應(yīng)力產(chǎn)生的影響。 二、彈簧的變形u如圖18-7a所示，在軸向載荷作用下，彈簧產(chǎn)生軸向變形量為：)518(883432GdnFCGdnFDu使彈簧產(chǎn)生單位變形量所需的載荷稱為彈簧剛度k(也稱為彈簧常數(shù))，即)618(883324nCGdnDGdFku從式(18-6)可看出，當(dāng)其他條件相同時(shí)，旋繞比C越小，彈簧剛度越大，反之，則彈簧剛度越小。旋繞比C應(yīng)在416之間，常用的范圍為C=58。18-3 彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力 一、彈簧的制造u螺旋彈簧的制造過程包括：卷繞、兩端面加工(指壓簧)或掛鉤的制作(指拉簧和扭簧)、熱處理和工藝性試驗(yàn)等。u大批生產(chǎn)時(shí)，彈簧的卷制是在自動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行的，

6、小批生產(chǎn)則常在普通車床上或者手工卷制。彈簧的卷繞方法可分為冷卷和熱卷兩種。當(dāng)彈簧絲直徑小于10 mm時(shí)，常用冷卷法。冷卷時(shí)，一般用冷拉的碳素彈簧鋼絲在常溫下卷成，不再淬火，只經(jīng)低溫回火消除內(nèi)應(yīng)力。熱卷的彈簧卷成后須經(jīng)過淬火和回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進(jìn)行表面檢驗(yàn)及工藝性試驗(yàn)，以鑒定彈簧的質(zhì)量。u彈簧制成后，如再進(jìn)行強(qiáng)壓處理，可提高承載能力。但經(jīng)強(qiáng)壓處理的彈簧，不宜在高溫、變載荷及有腐蝕性介質(zhì)的條件下應(yīng)用。因?yàn)樵谏鲜銮闆r下，強(qiáng)壓處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是不穩(wěn)定的。受變載荷的壓縮彈簧，可采用噴丸處理提高其疲勞壽命。 二、彈簧的材料u彈簧在機(jī)械中常承受具有沖擊性的變載荷，所以彈簧材料應(yīng)具有高的彈性極

7、限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能等。常用的彈簧材料有優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼和有色金屬合金。u常用彈簧材料的性能列于表18-1和表18-2中。u選擇彈簧材料時(shí)應(yīng)充分考慮彈簧的工作條件（載荷的大小及性質(zhì)、工作溫度和周圍介質(zhì)的情況）、功用及經(jīng)濟(jì)性等因素。一般應(yīng)優(yōu)先采用碳素彈簧鋼絲。 三、彈簧的許用應(yīng)力u影響彈簧許用應(yīng)力的因素很多，除了材料品種外，材料質(zhì)量、熱處理方法、載荷性質(zhì)、彈簧的工作條件和重要程度以及彈簧絲的尺寸等，都是確定許用應(yīng)力時(shí)應(yīng)予以考慮的。u彈簧按其載荷性質(zhì)分為三類：類受變載荷作用次數(shù)在106次以上或很重要的彈簧，如內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧、電磁制動(dòng)器彈簧；類受變載荷作用次

8、數(shù)在103105次及受沖擊載荷的彈簧或受靜載荷的重要彈簧，如調(diào)速器彈簧、安全閥彈簧、一般車輛彈簧；類受變載荷作用次數(shù)在103次以下的，即基本上受靜載荷的彈簧，如摩擦式安全離合器彈簧等。各類彈簧的許用應(yīng)力分別列于表18-1中。18-4圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的設(shè)計(jì) 一、結(jié)構(gòu)尺寸和特性曲線1.壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸u壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈間均留有一定的間距，以備受載時(shí)變形。通常，彈簧兩端各有3/45/4圈并緊，以使彈簧站得平直。工作時(shí)這幾圈不參與變形，稱為支承圈或死圈。支承圈端部結(jié)構(gòu)有磨平端(圖18-8a)和不磨平端(圖18-8b)兩種。u為了使彈簧端面和軸線垂直，重要用途的壓縮彈簧應(yīng)采用前一種結(jié)構(gòu)

9、。支承圈的磨平長度應(yīng)不小于3/4圈，末端厚度應(yīng)近于d/4。有支承圈的彈簧，其總?cè)?shù) n1=n+(1.52.5）un1的尾數(shù)推薦為1/2圈，這樣工作較為平穩(wěn)。u壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸可由圖18-9求出。u自由高度H0（即未受載時(shí)彈簧的高度）：)718(cos95)5 . 03 . 0(arctg8 . 01222222nDLDtDtFndt彈簧絲展開長度。，即通常螺旋升角作用時(shí)的彈簧變形量。為最大工作載荷式中間距節(jié)距)818()5 . 0() 1(1010dnnHdnnH構(gòu)對(duì)于兩端并緊磨平的結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)于兩端并緊不磨平的u式(18-8)中，(n1+1)d和(n1 -0.5)d分別為兩種結(jié)構(gòu)壓縮彈簧并緊時(shí)

10、的高度Hs (圖18-10)。u為了保證壓縮彈贊的穩(wěn)定性，彈簧的高徑比b=H0/D2不應(yīng)超過許用值。兩端固定的彈簧，b5.3；一端固定另一端鉸支的彈簧，b3.7。當(dāng)b大于許用值時(shí)，彈簧可能產(chǎn)生側(cè)彎現(xiàn)象(圖18-11a)。為了避免彈簧失穩(wěn)，應(yīng)在彈簧內(nèi)部加導(dǎo)向桿或在外部加導(dǎo)向套(圖18-11b）。導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套與彈簧的間隙不應(yīng)過大，工作時(shí)需加油潤滑。2.壓縮彈簧的特性曲線u等節(jié)距圓柱螺旋彈簧，在彈性變形范圍內(nèi)，其變形又和載荷成正比，即兩者間為直線關(guān)系。圖18-12為圓柱螺旋壓縮彈簧的載荷一變形曲線，稱為彈簧特性曲線，圖中：uF1最小工作載荷，即彈簧在安裝位置時(shí)所受的壓力。彈簧不應(yīng)處于無載的自由狀態(tài)

11、，F(xiàn)1能使彈簧可靠地穩(wěn)定在安裝位置上。按彈簧的功用， F1 在(0.2-0.5)F2范圍內(nèi)選取。uF2 最大工作載荷。彈簧在F2作用下，彈簧絲的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料的許用應(yīng)力；uFlim 極限載荷。達(dá)到材料剪切屈服極限s的載荷，稱為極限載荷。uH1、H2、 Hlim分別對(duì)應(yīng)于上述三種載荷作用時(shí)的彈簧高度(或長度)； u1, 2, lim分別對(duì)應(yīng)于上述三種載荷作用時(shí)的彈簧變形。為了在F2作用時(shí)彈簧不致并緊，式(18-7)中已規(guī)定20. 8n。u如圖18-12所示，彈簧剛度）（常數(shù)9182211FFku在加載過程中，彈簧所儲(chǔ)存的能量為變形能E，即圖18-12中用小方格表示的面積。u在彈簧工作圖中，

12、應(yīng)繪有彈簧的特性曲線，以作為檢驗(yàn)和試驗(yàn)時(shí)的依據(jù)之一。 3.拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)u拉伸彈簧卷制時(shí)已使各圈相互并緊，即=0。為了增加彈簧的剛性，多數(shù)拉伸彈簧在制成后已具有初應(yīng)力。拉伸彈簧端部做有掛鉤，以便安裝和加載。掛鉤的形式很多，常用的見圖18-13。其中半圓鉤環(huán)型（圖a)和圓鉤環(huán)型（圖b)的結(jié)構(gòu)制造方便，但這兩種掛鉤上的彎曲應(yīng)力都較大，只適用于中小載荷和不重要的地方。圖c所示為兩端具有可轉(zhuǎn)鉤環(huán)型，它的掛鉤是另外裝上去的活動(dòng)鉤，故掛鉤下端及彈簧端部的彎曲應(yīng)力較前述兩種小。圖d為可調(diào)式拉伸彈簧，具有帶螺旋塊的掛鉤。圖c、d所示掛鉤適用于受變載荷場合，但成本較高。圖18-14是改進(jìn)的掛鉤形式，其端部彈

13、簧圈直徑逐漸減小，因而彎曲應(yīng)力也相應(yīng)減小。u圓柱螺旋拉伸彈簧結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算公式與壓縮彈簧相同，但在使用公式時(shí)應(yīng)注意拉伸彈簧的間距=0；計(jì)算彈簧絲展開長度和彈簧自由高度時(shí)應(yīng)把掛鉤部分的尺寸計(jì)入。 二、設(shè)計(jì)計(jì)算步驟u設(shè)計(jì)彈簧時(shí)應(yīng)滿足以下要求：有足夠的強(qiáng)度；符合載荷一變形特性曲線的要求（即剛度條件）；不側(cè)彎等。u通常的已知條件為：彈簧所承受的最大工作載荷F2，和相應(yīng)的變形量2 ，以及其他方面的要求(例如工作溫度、空間地位的限制等)。具體計(jì)算時(shí)，先根據(jù)工作條件選擇合宜的彈簧材料及結(jié)構(gòu)型式；然后運(yùn)用18-2中求應(yīng)力、變形的公式確定彈簧的主要參數(shù)d、 D2、 n，在大量生產(chǎn)中，中徑D2 應(yīng)符合GB2089

14、-80普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列；最后由式(18-7)、(18-8)求出彈簧的其他結(jié)構(gòu)尺寸t、H0及彈簧絲展開長度等。運(yùn)用式(18-3)求彈簧絲直徑d時(shí)，因?yàn)樵S用應(yīng)力和旋繞比C都與d有關(guān)，所以常需采用試算法。18-5 其他彈簧簡介 一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧u扭轉(zhuǎn)彈簧的外形和拉壓彈簧相似，但承受的是繞彈簧軸線的外加力矩，主要用于壓緊和儲(chǔ)能，例如使門上鉸鏈復(fù)位，電機(jī)中保持電刷的接觸壓力等。為了便于加載，其端部常做成圖18-18所示的結(jié)構(gòu)形式。 二、碟形彈簧u碟形彈簧是用薄鋼板沖制而成的，其外形象碟子(圖18-20)。當(dāng)它受到沿周邊均勻分布的軸向力F時(shí)，內(nèi)錐高度h變小，相應(yīng)地產(chǎn)生軸向變形。這種彈簧具有變剛

15、度的特性。當(dāng)D1、D和t一定時(shí)，隨著內(nèi)錐高度h與簧片厚度t的比值不同，它們的特性曲線也不相同(圖18-20)。每條曲線上的小圓圈表示碟形彈簧片正好壓平時(shí)的狀況。值得提出的是當(dāng)h/t1. 5時(shí)，曲線的中間部分接近于水平。這一特性很重要，它提供了在一定變形范圍內(nèi)保持載荷恒定的方法。例如在精密儀器中，可利用碟形彈黃使軸承端面摩擦力矩不受溫度變化的影響；在密封墊圈中也可利用這一特性使密封性能不因溫度變化而削弱。u在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往把碟形彈贊片組合起來使用。為了增大變形量，可以采用對(duì)合式組合碟形彈簧(圖18-21a)，這時(shí)變形量隨著片數(shù)的增加而增加，但承載能力不變。u為了增加承載量，可以采用疊合式組合碟形彈簧(圖18-22a)，這時(shí)承載能力