机械设计基础课件-弹簧

1、第18章宀勺謹簧的功用和类型1柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形10 J18-1弹簧的功用和类型弹簧的主要功用有：1）控制机构的运动或零件的位置；2）缓冲 及吸振；3）储存能量；4）测量力的大小。弹簧的种类有螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹 簧和板弹簧等。螺旋弹簧是用金属丝（条）按螺旋线卷绕而成，由于制造简便， 所以应用最广。按其形状可分为：圆柱形（图18-1a、b、d）、 截锥形（图18-1 c）等。按受载情况又可分为拉伸弹簧（图18-1a）.压缩弹簧（图18-1b、c）和扭转弹簧（图18-1d）。b)图 18-1d)螺旋弾黄环形弹簧（图182a）和碟形弹簧（图182b）都是压缩弹簧，

2、在工 作过程中，一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上，因此具有 很高的缓冲吸振能力，多用于重型机械的缓冲装置。平面涡卷弹簧或称盘簧（图18-2C）,它的轴向尺寸很小，常用 作仪器和钟表的储能装置。板弹簧（图1&2d）是由许多长度不同的钢板叠合而成，主要用 作各种车辆的减振装置。图18-2环形弹賛、碟形弹簧，平面祸卷弹賛和板弹賛軽螺旋拉伸：压缩弹簧j的应力与变形图18-3所加为一圆柱螺旋压缩弹簧，轴向力F作用在弹簧的轴线上，弹簧丝是圆截面的，直2a)图18-3弹箕的受力分析一、弹簧的应力径为a弹簧中径为。2,螺旋升 角为a。一般，弹簧的螺旋升角a很小（a27idy1+42Q丿(18-1)令 则弹簧丝

3、截面上的最大切应力为(18-2)式中：C称为旋绕比，或称为弹簧指数，是衡量弹簧曲率的重 要参数；括号内的第二项为切应力卩的影响。较精确的分析指出，弹簧丝截面 内侧的最大切应力(图18-5)及其 强度条件为8FC(18-3)式中：F、C、d的意义同上；T为材料的许用切应力；K为 弹簧的曲度系数，其计算式为4C-10.615(18-4)+4C-4 C图18-5考虑曲率时弹賛丝的扭切应力用直可根据旋绕比C直接从图6杳出。9 10 11 12 13 14 15 1618-6曲度系数K 图85所示，弹簧丝在扭矩7作用下，截面与b-b，将相 对转动一个小角度。由于内侧的纤维长度比外侧的短(即 aPab),

4、这样，内侧单位长度的扭转变形就比外侧的大, 因此内侧的扭切应力大于直杆的扭切应力T,而外侧则反之。 显然，旋绕比C越小，内侧应力增加越多。式(18-4)中的第 二项反映了因t “不均匀分布对内侧应力产生的影响。二、弹簧的变形如图卫所示，在轴向载荷作用下，弹簧产生轴向变形量入为:0 _ 8FD认 _ 8FC3/?(18-5)/t =Gd4 Gd使弹簧产生单位变形量 所需的载荷称为弹簧刚 度也称为弹簧常数)， 即(18-6)F _Gd _ Gd A - SDn 8C3n从式(18-6)rJ看出,当 其他条件相同时，旋绕 比C越小，弹簧刚度越 大，反之，则弹簧刚度 越小。旋绕比C应在 416之间，常

5、用的范围 为 C=5-8O18-7弹簧的变形许用应力一、弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程包括：卷绕、两端面加工（指压簧）或挂钩的制作 （指拉簧和扭簧）、热处理和工艺性试验等。大批生产时，弹簧的卷制是在自动机床上进行的，小批生产则常在 普通车床上或者手工卷制。弹簧的卷绕方法可分为冷卷和热卷两种。 当弹簧丝直径小于10 mm时，常用冷卷法。冷卷时，一般用冷拉的 碳素弹簧钢丝在常温下卷成，不再淬火，只经低温回火消除内应力。 热卷的弹簧卷成后须经过淬火和回火处理。弹簧在卷绕和热处理后 要进行表面检验及工艺性试验，以鉴定弹簧的质量。弹簧制成后，如再进行强压处理，可提高载能力。但经强 压处理的弹簧，不宜在高温

6、、变载荷及有腐蚀性介质的条件 下应用。因为在上述情况下，强压处理产生的残余应力是不 稳定的。受变载荷的压缩弹簧，可采用喷丸处理提高其疲劳 寿命。二、弹簧的材料弹簧在机械中常承受具有冲击性的变载荷，所以弹簧材料应 具有高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、塑性和良 好的热处理性能等。常用的弹簧材料有优质碳素弹簧钢、合 金弹簧钢和有色金属合金。常用弹簧材料的性能列于表18-1和表中。 181 4UK弹簣的常用材料和许用应力材料许用切应力/MPr、推荐使用度C 推荐硬度 范围转性及用途名称JH号I类弹簧EI类弹簧EI类弹賛碳素弹簧制丝I、I、I65.70 0. 30.8n式中入为最大工作载荷厲作用

7、时的弹簧变形量。自由高度Ho （即未受载时弹簧的高度）：对于两端并紧不磨平的结构(18-8)H = n6 + l）d对于两端并紧磨平的结构/0 = n8 + （ 0.5）d式（18-8）中，（口+1）砾D（q -0.5）d分别为两种结构压缩弹簧并 紧时的高度仏（图18-10）o18-10(和)於P|Z为了保证压缩弹赞的稳定性，弹簧 的高径比b=H0/D2不应超过许用值。 两端固定的弹簧，b5.3;端固 定见一端较支的弹簧，b3.7o当b 大于许用值时，弹簧可能产生侧弯 现象（图8-11a）o为了避免弹簧失 稳，应在弹簧内部加导向杆或在外 部加导向套（图。导向杆 和导向套与弹簧的间隙不应过大，

8、工作时需加油润滑。b)图18J1压缩弹簣的侧弯及防止恻弯的措施图 18-12压缩弹簧的特性曲线E等节距圆柱螺旋弹簧，在弹性变形范围内，其变形又和载荷 成正比，即两者间为直线关系。图迪2为圆柱螺旋压缩弹簧 的载荷一变形曲线，称为弹簧特性曲线，图中：尺一最小工作载荷，即弹簧在安装位置时所受的压力。弹簧不 应处于无载的自宙状态，片能使弹簧可靠地稳定在安装位置 o按弹簧的功用，斤在(020.5)後范围内选取。 F2最大工作载荷。弹簧在F?作用下，弹簧丝的最大应力T不 应超过材料的许用应力T;扁一极限载荷。达到材料剪功屈服极限Ts的载荷，称为极限 载荷。比、出、分别对应于上述三种载荷作用时的弹簧高度(或

9、 长度)；A2, Alim分别对应于上述三种载荷作用时的弹簧变形。为了在&作用时弹簧不致并紧，式(18-7)中已规定入20. 8门6。如图迢12所示，弹簧刚度(18-9)卅常数在加载过程中，弹簧所储存的能量为变形能E即图18-12 中用小方格表示的面积。在弹簧工作图中，应绘有弹簧的特性曲线，以作为检验和试 验时的依据之一。3 拉伸弹簧的结构特点 拉伸弹簧卷制时已使各圈相互并紧，即左0。为了增加弹簧的刚性，多数拉伸弹簧在制成后已具有初应力。拉伸弹簧端 部做有挂钩，以便安装和加载。挂钩的形式很多，常用的见图18-13。其中半钩环型（图a）和钩环型（图b）的结构制造方便，但这两种挂钩上的弯曲应力都较

10、大，只适用于中小载荷和不重要的地方。图c所示为两端具有可转钩环型， 它的挂钩是刃外装上去的活动钩，故挂钩下端及弹簧端部的 弯曲应力较前述两种小。图d为可调式拉伸弹簧，具有带螺 旋块的挂钩。图c、d所示挂钩适用于受变载荷场合，但成本 较高。图1814是改进的挂钩形式，其端部弹簧圈直径逐渐减小，因而弯曲应力也相应减小。柱螺旋拉伸弹簧结构尺寸的计算公式与压缩弹簧相同，但在使用公式时应注意拉伸弹簧的间距0 ；计算弹簧丝展开长度和弹簧自由高度时应把挂钩部分的尺寸计入。二、设计计昇步骤设计弹簧时应满足以下要求：有足够的强度；符合载荷一变 形特性曲线的要求(即刚度条件)；不侧弯等。通常的已知条件为：弹簧所承

11、受的最大工作载荷辰，和相应 的变形量入2,以及其他方面的要求(例如工作温度.空间地位 的限制等)。具体计算时，先根据工作条件选择合宜的弹簧材 料及结构型式；然后运用18-2中求应力.变形的公式确定 弹簧的主要参数久。2、n9在大量生产中，中径应符合 GB2089-80普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列；最后由式(1& 7). (18-8)求出弹簧的其他结构尺寸h * Ho及弹簧丝展开长 度等。运用式(18-3)求弹簧丝直径d时，因为许用应力T和旋 绕比与炳关，所以常需采用试算法。18-5其他弹簧简介一、圆柱螺旋扭转弹簧扭转弹簧的外形和拉压弹簧相似，但受的是绕弹簧轴线的 外加力矩，主要用于压紧和储能，例如

12、使门上狡链复位，电 机中保持电刷的接触压力等。为了便于加载，其端部常做成 图18-18所示的结构形式。二、碟形弹簧碟形弹簧是用薄钢板冲制而成的，其外形象碟子（图18-20）。 当它受到沿周边均匀分布的轴向力丹主 内锥高度力变小，相 应地产生轴向变形入。这种弹簧具有变刚度的特性。当D 和定时，随着内锥高度力与簧片厚度佗勺比值不同，它们的 特性曲线也不相同（图1820）。每条曲线上的小圆圈表示碟形 弹簧片正好压平时的状况。值得提出的是当h/t-1.5时，曲线 的中间部分接近于水平。这一特性很重要，它提供了在一定 变形范围内保持载荷恒定的方法。例如在精密仪器中，可利 用碟形弹黄使轴承端面摩擦力矩不受温度变化的影响；在密 封垫圈中也可利用这一特性使密封性能不因温度变化而削弱。04 A/r 3在实际应用时，往往把碟形弹赞片组合起来使用。为了增 大变形量，可以采用对合式组合碟形弹簧（图18-21 a）,这 时变形量随着片数的增加而增加，但承载能力不变。b)18-21对合式组合碟形弹簧为了增加承载量，可以采用叠合式组合碟形弹簧（图18-22a）, 这时承载能力随着片数的增加而增加，但变形量不变。如欲 同时增加变形量和承载能力，则可以采用复合式组合碟形弹 簧（图18-22