第十三章弹性元件

1、第十三章第十三章 弹性元件弹性元件 参考文献参考文献 l张策主编，张策主编，机械原理与机械设计机械原理与机械设计（下（下 册），机械工业出版社，册），机械工业出版社，20042004 l濮良贵主编，濮良贵主编，机械设计机械设计，高等教育出，高等教育出 版社，版社，20062006 l其他机械设计的相关书籍其他机械设计的相关书籍 第一节 概述 l主要功用主要功用 测力测力 产生振动产生振动 储存能量储存能量 缓冲和吸振缓冲和吸振 控制机械运动控制机械运动 改变机械的自振批率改变机械的自振批率 消除空回和配合间隙消除空回和配合间隙 弹性弹性元件弹性弹性元件 l常见类型（按结构特点分类）常见类型（按

2、结构特点分类） a.a.片簧片簧 b.b.平面涡卷簧平面涡卷簧 c.c.螺旋弹簧螺旋弹簧 d.d.压力弹簧管压力弹簧管 e.e.波纹管波纹管 f.f.膜片膜片 第一节 概述 l分类（根据用途）分类（根据用途） 测量弹簧测量弹簧 力弹簧力弹簧 l分类（根据所承受的载荷）分类（根据所承受的载荷） 拉伸弹簧拉伸弹簧 压缩弹簧压缩弹簧 扭转弹簧扭转弹簧 弯曲弹弯曲弹 簧簧 l分类（根据使用的弹性材料）分类（根据使用的弹性材料） 金属弹簧（圆柱螺旋弹簧）金属弹簧（圆柱螺旋弹簧） 非金属弹簧（橡胶弹簧、空气弹簧）非金属弹簧（橡胶弹簧、空气弹簧） 第一节 概述 l弹性元件的特点弹性元件的特点 结构简单、价格

3、低廉、占据空间小、结构简单、价格低廉、占据空间小、 安装和固定简单、工作可靠。安装和固定简单、工作可靠。 第一节 概述 l弹簧材料要求弹簧材料要求 较高的弹性极限和疲劳极限；足够的韧较高的弹性极限和疲劳极限；足够的韧 性和良好的热处理性能。性和良好的热处理性能。 l常用弹簧材料常用弹簧材料 金属金属 非金属非金属 材料材料 材料材料 碳素弹簧钢碳素弹簧钢 合金弹簧钢合金弹簧钢 有色金属合金有色金属合金 橡胶橡胶 塑料塑料 石英石英 陶瓷陶瓷 空气空气 第一节 概述 l螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造 卷制：冷卷、热卷卷制：冷卷、热卷 两端面加工（压缩弹簧）两端面加工（压缩弹簧） 钩环制作（拉伸弹簧

4、）钩环制作（拉伸弹簧） 热处理热处理 工艺性试验工艺性试验 第一节 概述 l弹性元件的许用应力：弹性元件的许用应力： 类、类、类、类、类弹簧类弹簧 碳素弹簧钢碳素弹簧钢 （65、70钢）钢） 第一节 概述 l弹性元件的基本特性弹性元件的基本特性 f (F ) ( p, t ) 特性曲线特性曲线：直线型、曲线型：直线型、曲线型 刚度刚度 线性系统线性系统 并联系统并联系统 串连系统串连系统 0 lim(/)/FFdF d 1 n i i FF 1 11 n i i FF /FFconst 第二节 弹性元件的基本特性 l影响弹性元件特性的因素影响弹性元件特性的因素 由特性解析式得（举例：圆柱螺旋弹

5、簧）由特性解析式得（举例：圆柱螺旋弹簧） 几何尺寸参数的影响调整方法予以消除几何尺寸参数的影响调整方法予以消除 温度的影响切变模量、弹性模量的温度特性温度的影响切变模量、弹性模量的温度特性 弹性滞后弹性滞后和和弹性后效弹性后效的影响较大安全系数、的影响较大安全系数、 合理的结构和元件的联接方法合理的结构和元件的联接方法( (降低应力集中降低应力集中) )、 特殊合金等特殊合金等 3 2 2 4 8 (, , ,) D n Ff D d n G Gd 第二节 弹性元件的基本特性 第二节 弹性元件的基本特性 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 l功能功能 沿轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力沿轴线方

6、向的力或垂直于轴线平面内的力 矩矩 弹簧两端的相对位移。弹簧两端的相对位移。 l圆柱形螺旋弹簧的圆柱形螺旋弹簧的型式型式（依载荷作用方式）依载荷作用方式） - -拉伸弹簧拉伸弹簧L L型型 - -压缩弹簧压缩弹簧Y Y型型 - -扭转弹簧扭转弹簧N N型型 l圆柱螺旋弹簧的设计任务圆柱螺旋弹簧的设计任务 已知已知：弹簧的最大工作载荷、最大工作变：弹簧的最大工作载荷、最大工作变 形以及结构和工作条件（如安装空间、载形以及结构和工作条件（如安装空间、载 荷性质）荷性质） 求求：弹簧的几何尺寸和结构参数；设计中：弹簧的几何尺寸和结构参数；设计中 既要保证有足够的强度，又要符合载荷变既要保证有足够的强

7、度，又要符合载荷变 形特性曲线的要求，不失稳，工作可靠；形特性曲线的要求，不失稳，工作可靠； 优先选用标准弹簧。优先选用标准弹簧。 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 l圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 特性线特性线 强度计算强度计算 刚度计算刚度计算 稳定性计算稳定性计算 结构尺寸计算结构尺寸计算 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 l圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧 种类种类 无初拉力无初拉力 有初拉力有初拉力F F0 0 弹簧圈数弹簧圈数 拉伸弹簧的端部结构拉伸弹簧的端部结构 3 0 2 8 d F D 4 3 02 8() G d n FF D 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 l圆柱螺旋

8、扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧 受转矩受转矩T T作用后的扭作用后的扭 转变形转变形 弹簧圈数弹簧圈数 2 180 o b EI n M D 2 2 () 180 ( ) bb o b M lMD n rad EIEI M D EIn 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 例：例：设计一个有初应力圆柱螺旋拉伸弹簧。数设计一个有初应力圆柱螺旋拉伸弹簧。数 据如下：当弹簧变形量为据如下：当弹簧变形量为6.5mm6.5mm时，拉力时，拉力F F1 1 180N180N；变形量为；变形量为17mm17mm时，拉力时，拉力F Fmax max 340N340N； 并限制其最大外径在并限制其最大外径在16mm16m

9、m以下，自由高度在以下，自由高度在 100mm100mm以下。一般用途且并不经常工作。以下。一般用途且并不经常工作。 计算简图 第三节 螺旋弹簧的基本参数和设计 第四节 游丝 l种类：种类：测量游丝、测量游丝、 接触游丝接触游丝 l要求要求 7 7条：弹性特性合适、滞后和后效小、温条：弹性特性合适、滞后和后效小、温 度敏感性低、防磁和抗蚀性好、重心位置度敏感性低、防磁和抗蚀性好、重心位置 准、圈间距离相等、电阻系数小准、圈间距离相等、电阻系数小 测量游丝要求较高测量游丝要求较高 l材料：材料： 锡青铜（锡青铜（QSn4-3QSn4-3）、铍青铜（）、铍青铜（Qbe2Qbe2）、）、 恒弹性合金

10、（恒弹性合金（Ni42CrTiNi42CrTi）、不锈钢、黄铜、）、不锈钢、黄铜、 铜锌镊合金铜锌镊合金 l游丝的结构游丝的结构游丝端部的固定方法游丝端部的固定方法 l游丝的特性游丝的特性 3 12 a EIEbh M LL 第四节 游丝 l游丝的设计游丝的设计 标准游丝国家标准（标准游丝国家标准（GB12159-90GB12159-90） 非标准游丝非标准游丝设计与计算设计与计算 已知：已知：原始数据通常为最大（小）游丝原始数据通常为最大（小）游丝 力矩力矩M M2 2（M M1 1）和最大（小）游丝转角）和最大（小）游丝转角 2 2 （ 1 1），以及游丝的用途和安装空间。），以及游丝的用

11、途和安装空间。 求：求：游丝的宽度游丝的宽度b b、厚度、厚度h h、长度、长度L L（圈数（圈数 n n）及其它结构参数。）及其它结构参数。 第四节 游丝 第五节 片簧 l片簧的分类片簧的分类 按其外形：直片簧按其外形：直片簧a a、弯片簧、弯片簧b b、c c l直片簧的结构直片簧的结构 第五节 片簧 双螺钉固定双螺钉固定 防转防转 结构防转结构防转 l直片簧的种类直片簧的种类 按截面形状：等截面、变截面按截面形状：等截面、变截面 按安装情况：有初应力片簧按安装情况：有初应力片簧a a 无初应力片簧无初应力片簧b b 第五节 片簧 第六节 热双金属弹簧 l组成：组成：主动层、从动层主动层、

12、从动层 l应用：应用：温度测量元件、温度控制元件、温度测量元件、温度控制元件、 温度补偿元件温度补偿元件 材料：材料：主动层黄铜、锰主动层黄铜、锰 镊合金、铁镊铬、镍钼合金镊合金、铁镊铬、镍钼合金 被动层铁镍合金被动层铁镍合金 带双金属片的闭合触点装置带双金属片的闭合触点装置 第七节 其它弹性元件简介 l弹簧管弹簧管 压力弹簧管压力弹簧管弹簧管截面形状弹簧管截面形状 压力压力p 位移位移s l波纹管波纹管 第七节 其它弹性元件简介 波纹管的应用波纹管的应用 第七节 其它弹性元件简介 密封元件密封元件 导管挠性联接元件导管挠性联接元件 介质分隔元件介质分隔元件 l膜片、膜盒膜片、膜盒 a)a)平

13、膜片平膜片 b)b)波纹膜片波纹膜片 膜盒膜盒 第七节 其它弹性元件简介 电容式压力传感器电容式压力传感器 膜片膜片 End 弹性滞后现象 弹性后效现象 圆柱螺旋压缩弹簧 特性线作用载荷与变形特性线作用载荷与变形 的关系的关系 等节距圆柱螺旋弹簧的特等节距圆柱螺旋弹簧的特 性线是一条直线。性线是一条直线。 最小载荷最小载荷 F F1 1(0.1(0.10.5)F0.5)Fmax max 最大载荷最大载荷F Fmax max由工作条件 由工作条件 决定，一般决定，一般F Fmax max 0.8F 0.8F3 3。 圆柱螺旋压缩弹簧 强度计算强度计算 旋绕比旋绕比C C 弹簧丝直径试算弹簧丝直径

14、试算 2 2 cos/2 c sin/ si os 2 n b N Q TFD F M F F FD F max1 1.6/ T dFK C 圆柱螺旋压缩弹簧 刚度计算刚度计算 弹簧的有效圈数弹簧的有效圈数 弹簧刚度弹簧刚度 3 8 Gd n FC 4 33 2 88 GdGd F D nC n 圆柱螺旋压缩弹簧 稳定性计算稳定性计算 弹簧的失稳弹簧的失稳 b bH H0 0/D/D2 2 稳定性与弹簧两端的稳定性与弹簧两端的 支承情况有关支承情况有关 不失稳的条件不失稳的条件 若若b b不满足条件，进不满足条件，进 行稳定性计算行稳定性计算 F Fmax maxF FC C max0 CB FFC F H 圆柱螺旋压缩弹簧 不失稳的条件：不失稳的条件： 弹簧两端固定弹簧两端固定 b5.3b5.3 弹簧一端固定，另一端回转弹簧一端固定，另一端回转 b3.7b3.7 弹簧两端回转弹簧两端回转 b2.6bF FC C 1 1、改变、改变b b值，使其小值，使其小 于允许值；于允许值； 2 2、结构保证稳定性：、结构保证稳定性： a a）导杆）导杆 b b）导套）导套 圆柱螺旋压缩弹簧 结构尺寸的计算结构尺寸的计算 死圈死圈 0.750.751.251.25圈圈 最大载荷下的间隙最大载荷下的间隙 0.1d0.1d 结构尺寸计算结构尺寸计算 表表13-313-3 圆