第18章彈簧機(jī)械原理中南大學(xué)

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§18-5其他彈簧簡介§18-4圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的設(shè)計(jì)中南大學(xué)專用作者：潘存云教授工作特點(diǎn)：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形，在機(jī)械設(shè)備中被廣泛用作彈性元件。功用：1.

控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或零件的位置;如凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門等；§18-1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(zhuǎn)彈簧類型：分類2.

緩沖吸振;如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；中南大學(xué)專用作者：潘存云教授本章內(nèi)容分類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(zhuǎn)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中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云T一、彈簧的應(yīng)力已知條件如圖?！?8-2圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應(yīng)力與變形D2dTαFF截面受力：剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力：FFτ’

D2/2彈簧軸線dD2/2彈簧軸線dτ”

Fτ”

τ’

τD2/2彈簧軸線d中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云1.61.51.41.31.21.11.0C=D2/2曲度系數(shù)K3456782010121416918C----旋繞比，或彈簧指數(shù)。----彈簧的曲度系數(shù)強(qiáng)度條件：截面總切應(yīng)力：dτ”

τ’

τ未考慮簧絲曲率的應(yīng)力dτ”

τ’

τ設(shè)計(jì)公式：其實(shí)質(zhì)是一個(gè)修正系數(shù)，其值可直接查表下表可得精確分析可得如下公式：中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云二、彈簧的變形dφ在軸向載荷的作用下，彈簧產(chǎn)生軸向變形λ，取微段分析D2/2微段軸向變形量dλ：C↓→k↑C值過小→制造困難，內(nèi)側(cè)應(yīng)力↑；取值范圍：C=4~16C值過大→

彈簧容易顫動(dòng)。dλD2FλFn為有效圈數(shù)鋼：G=8×104Mpa,青銅：G=4×104

MpaG--材料的切變模量：根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)圓柱螺旋彈簧變形的計(jì)算公式TTO’dsO中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云一、彈簧的制造§18-3彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力二、彈簧的材料制造過程：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(yàn)。冷卷：d<10mm熱卷：d≥10mm→低溫回火，消除應(yīng)力→淬火、回火經(jīng)強(qiáng)壓處理可提高承載能力。強(qiáng)壓處理：將彈簧預(yù)先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持一定時(shí)間后卸載，使簧絲表面層產(chǎn)生與工作應(yīng)力相反的殘余應(yīng)力，受載時(shí)可抵消一部分工作應(yīng)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(zhì)碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、有色金屬合金。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授碳素彈簧鋼：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(diǎn)：容易獲得、價(jià)格便宜、熱處理后具有較高的強(qiáng)度，適宜的韌性和塑性。缺點(diǎn)：當(dāng)d>12mm，不易淬透，故僅適用于小尺寸的彈簧。優(yōu)點(diǎn)：適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高的彈簧。選用原則：充分考慮載荷條件（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)先采用碳素碳簧鋼絲。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授三、彈簧的許用應(yīng)力彈簧的許用應(yīng)力主要取決材料品質(zhì)、熱處理方法、載荷性質(zhì)、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。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授表18—1螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力材料名稱牌號65、700.3σB0.4σB0.5σB–40~120

碳素彈簧鋼絲Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ

60Si1Mn480640800–40~200

45~50HRC合金彈簧鋼絲Ⅰ類彈簧[τI]青銅絲Ⅱ類彈簧[τII]Ⅲ類彈簧[τIII]推薦使用溫度℃

推薦硬度范圍特性及用途強(qiáng)度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只適用于小彈簧。50CrVA450600750–40~210

45~50HRC4C40~300

48~53HRCQSi3-1270360450QSn4-3270360450–40~120

90~100HBS彈性和回火穩(wěn)定性好，易脫碳，用于制造受重載的彈簧。有高的疲勞極限，彈性、淬透性和回火穩(wěn)定性好，常用于承受變載的彈簧耐腐蝕，耐高溫，適用于做較大的彈簧耐腐蝕，防磁好許用切應(yīng)力/MPa中南大學(xué)專用作者：潘存云教授組別III、IIaIII鋼絲直徑d/mm0.20.30.50.81.01.21.62.02.53.03.54.04.55.06.08.0270027002650260025002400220020001800170016501600150015001450---22502250220021502050195018501800165016501550150014001400135012501750175017002170165015501450140013001300120011501150110013501250表18—2碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云§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)尺寸壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距δ。δ支承圈或死圈----兩端有3/4~5/4圈并緊，以使彈簧站立平直，這部分不參與變形。不磨平磨平端部磨平----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/4d/4壓縮彈簧的總?cè)?shù)：n1=n+(1.5~2.5)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)中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云節(jié)距：t=d

+δ式中λ2為最大工作載荷F2作用時(shí)的變形量。通常t≈(0.3~0.5)D2,α=5?~9?間距:δ≥λ20.8nF2α螺旋升角：彈簧絲的展開長度:πD2n1cosαL=tπD2α=arctg自由高度:H0=nδ+(n1+1)dH0=nδ+(n1-0.5)d對于兩端并緊磨平結(jié)構(gòu)H0t彈簧的并緊高度：Hs=(n1+1)d(n1-0.5)d兩端并緊不磨平結(jié)構(gòu)：HsHsδD2中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云當(dāng)b大于許用值時(shí)，彈簧工作時(shí)會(huì)彎曲而失穩(wěn)。措施：內(nèi)部加裝導(dǎo)向桿、或外部加導(dǎo)向套。注意：與彈簧之間的間隙不能太大，工作時(shí)需加潤滑油。加裝導(dǎo)向桿b=H0/D2高徑比：<5.3<3.7兩端固定的彈簧一端固定，另一端鉸支的彈簧加裝導(dǎo)向套失穩(wěn)中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云2.壓縮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F1F2FlimFλ中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云arctgk最小工作載荷:F1=（0.2~0.5）F2最大工作載荷---F2在F2的作用下，τmax<[τ]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---FlimλlimEλ2λ1λ0壓縮彈簧的特性曲線FλF1F2FlimH2HlimH1最小變形---λ1對應(yīng)的變形---λ2極限變形---λlim<0.8nδ

保證不并緊彈簧剛度：彈簧勢能EF1F2FlimH0自由高度中南大學(xué)專用作者：潘存云教授3.拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a)各圈相互并緊δ=0；b)制作完成后具有初拉力；c)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(zhuǎn)鉤、可調(diào)轉(zhuǎn)鉤。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算與壓縮彈簧相同。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、但彎曲應(yīng)力大。應(yīng)用于中小載荷與不重要的場合。特點(diǎn)：彎曲應(yīng)力小。適用于變載荷的場，但成本較高。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授二、彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算步驟設(shè)計(jì)要求：有足夠的強(qiáng)度符合載荷---變形曲線的要求（剛度要求）不發(fā)生側(cè)彎(失穩(wěn))已知條件：最大工作載荷F2和相應(yīng)的變形λ2，其他要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）計(jì)算步驟：1)選擇彈簧材料及結(jié)構(gòu)形式3)求應(yīng)力：5)確定彈簧的圈數(shù)n；2)計(jì)算彈簧剛度：k=F2/λ24)求簧絲直徑：6)確定彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云設(shè)計(jì)：潘存云§18-5其他彈簧簡介一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧端部結(jié)構(gòu):δ特點(diǎn)：外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。作用：用于壓緊和儲能，如門的自動(dòng)復(fù)位、電機(jī)中保持電刷的接觸壓力等。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云當(dāng)力矩為M時(shí)，若α很小，則可認(rèn)為扭簧只承受彎矩。強(qiáng)度條件：扭轉(zhuǎn)變形：W----截面系數(shù)[σ]≈1.25[τ]E----材料的彈性模量，I----彈簧絲截面的慣性矩，D2----彈簧的中徑，n----彈簧的有效圈數(shù)。MMMM扭轉(zhuǎn)彈簧的載荷φ中南大學(xué)專用作者：潘存云教授1）對于精度高的扭轉(zhuǎn)彈簧，圈與圈之間應(yīng)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(zhuǎn)彈簧的旋向應(yīng)與外加力矩一致。彈簧內(nèi)側(cè)的最大工作應(yīng)力（壓）與卷繞產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（拉）反向（抵消），從而提高承載能力。3）心軸和彈簧內(nèi)徑之間必須留有間隙。避免因D2減小而抱軸。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：中南大學(xué)專用作者：潘存云教授設(shè)計(jì)：潘存云1234OFy/t二、碟形彈簧結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：用鋼板沖制而成，外形象碟子。往往將多個(gè)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(dāng)h/t≈1.5時(shí)，中間一段接近于水平。利用這一特性可在一定變形范圍內(nèi)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