第十六章彈簧

1、第十六章第十六章 彈簧彈簧彈簧的主要功用彈簧的主要功用1.緩和沖擊和吸收振動：汽車緩沖、聯(lián)軸器吸振；緩和沖擊和吸收振動：汽車緩沖、聯(lián)軸器吸振；2.控制機構(gòu)的運動：內(nèi)燃機閥門；控制機構(gòu)的運動：內(nèi)燃機閥門；3.儲存能量：鐘表、槍械儲存能量：鐘表、槍械4.測量力的大小：彈簧秤測量力的大?。簭椈沙影闯惺茌d荷的不同可分為按承受載荷的不同可分為:拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等。簧和彎曲彈簧等。按彈簧形狀不同可分為按彈簧形狀不同可分為:螺旋彈簧、碟型彈簧、環(huán)形彈螺旋彈簧、碟型彈簧、環(huán)形彈簧、盤簧、板彈簧等?；伞⒈P簧、板彈簧等。16.1 概述概述彈簧的分類彈簧的分類彈簧的主

2、要類型及特點彈簧的主要類型及特點彈簧的主要類型及特點彈簧的主要類型及特點16.2 彈簧的材料、許用應(yīng)力及制造彈簧的材料、許用應(yīng)力及制造一、彈簧的材料一、彈簧的材料對彈簧的材料的主要要求是：對彈簧的材料的主要要求是：1.必須有較高的彈性極限、強度極限、疲勞極限和沖必須有較高的彈性極限、強度極限、疲勞極限和沖擊韌性；擊韌性；2.具有良好的熱處理性能具有良好的熱處理性能,熱處理后應(yīng)有足夠的經(jīng)久熱處理后應(yīng)有足夠的經(jīng)久不變的彈不變的彈 性性,且脫碳性要小且脫碳性要小;3.對冷拔材料要求有均勻的硬度和良好的塑性。對冷拔材料要求有均勻的硬度和良好的塑性。常用的彈簧材料有：常用的彈簧材料有： 碳素彈簧鋼、合金

3、彈簧鋼、不銹鋼、有色金屬等碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹鋼、有色金屬等二、許用應(yīng)力二、許用應(yīng)力彈簧分為三類彈簧分為三類類類 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)106以上以上類類 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)103106之間之間類類 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)103以下以下碳素彈簧鋼絲機械強度的分組：碳素彈簧鋼絲機械強度的分組： 彈簧絲的強度與彈簧絲組別、彈簧絲直徑有關(guān)彈簧絲的強度與彈簧絲組別、彈簧絲直徑有關(guān),直直徑徑d小的彈簧絲強度極限小的彈簧絲強度極限b較高。較高。組組高級高級及及a組組中級中級組組正常級正常級三、螺旋彈簧的制造三、螺旋彈簧的制造螺旋彈簧的制造過程主要包括：螺旋彈簧的制造過程主要包括：（1）卷繞）卷繞 冷卷冷卷 彈簧

4、絲直徑較小，低溫回火彈簧絲直徑較小，低溫回火 熱卷熱卷 彈簧絲直徑較大，淬火及回火彈簧絲直徑較大，淬火及回火（2）鉤環(huán)的制作或兩端的加工）鉤環(huán)的制作或兩端的加工（3）熱處理）熱處理（4）工藝試驗及必要的壓強或噴丸等強化處理。）工藝試驗及必要的壓強或噴丸等強化處理。壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu)壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)16.3 圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧的設(shè)計計算的設(shè)計計算圓柱形壓縮螺旋彈簧與拉伸螺旋彈簧的設(shè)計計算圓柱形壓縮螺旋彈簧與拉伸螺旋彈簧的設(shè)計計算內(nèi)容主要有：內(nèi)容主要有：1、確定結(jié)構(gòu)形式和特性線；、確定結(jié)構(gòu)形式和特性線；2、選擇材料和確定許用應(yīng)

5、力；、選擇材料和確定許用應(yīng)力；3、由強度條件確定彈簧絲的直徑和彈簧中徑；、由強度條件確定彈簧絲的直徑和彈簧中徑；4、由剛度條件確定彈簧的工作圈數(shù)；、由剛度條件確定彈簧的工作圈數(shù)；5、確定彈簧的基本參數(shù)、尺寸等。、確定彈簧的基本參數(shù)、尺寸等。一、幾何尺寸和參數(shù)一、幾何尺寸和參數(shù)彈簧指數(shù)（旋繞比）彈簧指數(shù)（旋繞比）C:中徑中徑 D外徑外徑D2內(nèi)徑內(nèi)徑D1節(jié)距節(jié)距p螺旋升角螺旋升角彈簧絲直徑彈簧絲直徑d圈數(shù)圈數(shù)ndDC 二、特性線二、特性線表示載荷與相應(yīng)變形之間表示載荷與相應(yīng)變形之間關(guān)系的曲線稱為彈簧的特關(guān)系的曲線稱為彈簧的特性線性線a直線型直線型 b漸增型漸增型 c漸減型漸減型圓柱形等節(jié)距壓縮螺旋

6、彈簧及其特性線圓柱形等節(jié)距壓縮螺旋彈簧及其特性線 1與與2之差稱為彈簧的工作行程之差稱為彈簧的工作行程2112hHHFlim為彈簧的極限工作載荷，在它的為彈簧的極限工作載荷，在它的作用下彈簧絲內(nèi)的應(yīng)力達到了彈簧作用下彈簧絲內(nèi)的應(yīng)力達到了彈簧材料的屈服極限。材料的屈服極限。彈簧的最小工作載荷通常取為彈簧的最小工作載荷通常取為1lim0.2FF最大工作載荷通常取最大工作載荷通常取2lim0.8FF彈簧間隙彈簧間隙余余 隙隙lim/n極限工作載荷極限工作載荷Flim 的大小的大小應(yīng)保證彈簧絲中所產(chǎn)生的極限切應(yīng)力應(yīng)保證彈簧絲中所產(chǎn)生的極限切應(yīng)力 在以下范圍內(nèi)：在以下范圍內(nèi)：對于對于類彈簧類彈簧對于對于

7、類彈簧類彈簧對于對于類彈簧類彈簧 lim1.67 lim1.25 lim1.12lim彈簧幾何尺寸計算彈簧幾何尺寸計算三、彈簧的受力和應(yīng)力三、彈簧的受力和應(yīng)力在通過彈簧軸線的平在通過彈簧軸線的平面面A-A內(nèi)，彈簧絲的內(nèi)，彈簧絲的剖面呈橢圓形，由于剖面呈橢圓形，由于彈簧的螺旋升角很小，彈簧的螺旋升角很小，則近似為圓形。則近似為圓形。當(dāng)彈簧受載荷當(dāng)彈簧受載荷F作用時作用時,在在A-A剖面上將作用有剖面上將作用有扭轉(zhuǎn)力矩扭轉(zhuǎn)力矩 和剪和剪切力切力 F該剖面上的應(yīng)力可近該剖面上的應(yīng)力可近似的取為似的取為TF2.DFT 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T引起的切應(yīng)力引起的切應(yīng)力T切向力切向力 引起的切應(yīng)力引起的切應(yīng)力tFF根據(jù)

8、力的迭加原理可知，在彈簧絲內(nèi)側(cè)根據(jù)力的迭加原理可知，在彈簧絲內(nèi)側(cè)a點的合成應(yīng)力最大點的合成應(yīng)力最大 a點的最大合成切應(yīng)力為點的最大合成切應(yīng)力為33816/2/dFDdFDWTTT2244/dFdFAFtF)211 (8)21 (8483323CdFDDddFDdFdFD考慮彈簧升角和曲率以及考慮彈簧升角和曲率以及F的影響引入一個修正系數(shù)的影響引入一個修正系數(shù)K,則彈簧絲則彈簧絲1112C取剖面上實際力的分布將如圖剖面上實際力的分布將如圖(d),其強度條件其強度條件式中式中K稱為曲度系數(shù)稱為曲度系數(shù)410.61544CKCC當(dāng)按強度條件計算彈簧絲直徑當(dāng)按強度條件計算彈簧絲直徑d時時,應(yīng)以最大工作

9、載荷應(yīng)以最大工作載荷 代替式代替式中的中的 ,則得則得2FF 2281.6KF CKF Cd mm 與彈簧絲直徑與彈簧絲直徑d有關(guān)，因此應(yīng)反復(fù)計算。有關(guān)，因此應(yīng)反復(fù)計算。 2388dFCKdFDK四、彈簧的變形和剛度四、彈簧的變形和剛度由材料力學(xué)可知，圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧受載荷后產(chǎn)生由材料力學(xué)可知，圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧受載荷后產(chǎn)生的軸向變形量為：的軸向變形量為：（1 1）對于壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉伸彈簧）對于壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉伸彈簧3228F C nGd（2 2）對于有初應(yīng)力的拉伸彈簧）對于有初應(yīng)力的拉伸彈簧32028 FF C nGd0F為初拉力為初拉力GdnFCGdnFD3

10、4388KDdF8030彈簧的剛度用彈簧的剛度用 表示，拉伸和壓縮彈簧的剛度為表示，拉伸和壓縮彈簧的剛度為FKFdFKd定剛度的壓縮和拉伸彈簧的剛度為定剛度的壓縮和拉伸彈簧的剛度為五、彈簧的穩(wěn)定性五、彈簧的穩(wěn)定性壓縮彈簧的自由高度壓縮彈簧的自由高度 與中徑與中徑 D 之比，之比，稱為高徑比，即稱為高徑比，即 0H為保證壓縮彈簧的穩(wěn)定性，其高徑比為保證壓縮彈簧的穩(wěn)定性，其高徑比b值值應(yīng)滿足下列要求：應(yīng)滿足下列要求：兩端固定時兩端固定時一端固定另一端自由轉(zhuǎn)動時一端固定另一端自由轉(zhuǎn)動時兩端均自由轉(zhuǎn)動時兩端均自由轉(zhuǎn)動時5.3b 3.7b 2.6b nDGdnCGdFKF34388DHb0當(dāng)當(dāng)b值不滿足

11、上述要求時，應(yīng)進行穩(wěn)定性驗算。保持穩(wěn)定時的值不滿足上述要求時，應(yīng)進行穩(wěn)定性驗算。保持穩(wěn)定時的臨界載荷由下式計算臨界載荷由下式計算0cBFFC K HBC 不穩(wěn)定系數(shù)0cBCH可保證彈簧的穩(wěn)定性，最大工作載可保證彈簧的穩(wěn)定性，最大工作載荷荷 與臨界載荷與臨界載荷 之間應(yīng)滿足以下之間應(yīng)滿足以下關(guān)系關(guān)系2FcF22 2.5cFF 不穩(wěn)定系數(shù)不穩(wěn)定系數(shù)CB六、受靜載荷圓柱形螺旋彈簧的設(shè)計六、受靜載荷圓柱形螺旋彈簧的設(shè)計設(shè)計的一般步驟如下：設(shè)計的一般步驟如下：1.選擇材料和確定許用應(yīng)力。選擇材料和確定許用應(yīng)力。(1)初選彈簧指數(shù)初選彈簧指數(shù)C(2)根據(jù)初選根據(jù)初選C值及安裝空間估計中徑值及安裝空間估計中徑