第12章 弹性元件

1、 第十二章 弹 性 元 件弹性元件：弹性元件：利用材料的弹性性能，完成各种功能利用材料的弹性性能，完成各种功能的零件或部件。的零件或部件。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频率改变机械的自振频率消除空回和配合间隙消除空回和配合间隙第一节 概述主要功能主要功能一、基本概念和功用一、基本概念和功用l按结构特点分类 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 概述二、常见弹性元件的分类和特点二、常见弹性元件的分类和特点l根据用途 测量弹

2、簧测量弹簧 力弹簧力弹簧 l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 弯曲弹簧弯曲弹簧l根据使用的弹性材料 金属弹簧金属弹簧 非金属弹簧（橡胶弹簧等）非金属弹簧（橡胶弹簧等）第一节 概述l弹性元件的特点 结构简单、价格低廉、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 较高的弹性极限和疲劳极限；足够的韧性和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良好的热处理性能。l常用弹簧材料( (表表13-1)13-1) 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

3、金属金属材料材料橡胶橡胶塑料塑料石英石英陶瓷陶瓷空气空气非金属非金属 材料材料第一节 概述三、常用弹性元件材料及其特点三、常用弹性元件材料及其特点 四、弹性元件的许用应力四、弹性元件的许用应力 与材料种类、质量、热处理方法，载荷性质、与材料种类、质量、热处理方法，载荷性质、弹丝的尺寸有关。根据变载荷的作用次数以及弹弹丝的尺寸有关。根据变载荷的作用次数以及弹簧的重要程度将弹簧分为三类：簧的重要程度将弹簧分为三类： 类类受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在10106 6以上或很重以上或很重要的弹性元件。要的弹性元件。 类类受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在10103 3-10-105 5以上及受

4、以上及受冲击载荷的弹性元件。冲击载荷的弹性元件。 类类受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在10103 3以下，即基本以下，即基本受静载荷的弹性元件受静载荷的弹性元件第一节 概述第二节 弹性元件的基本特性一、弹性元件的基本特性一、弹性元件的基本特性 作用在弹性元件上的力、压力或温度等与变形作用在弹性元件上的力、压力或温度等与变形的关系，称为的关系，称为弹性元件的特性弹性元件的特性。 f f( (F F ) ( ) ( p,t p,t ) ) 特性曲线：直线型、曲线型特性曲线：直线型、曲线型l非线性度：非线性度：特性曲线与理想直线的最大偏差特性曲线与理想直线的最大偏差 和弹性元件的最大变形和弹性元

5、件的最大变形 的百分比的百分比 称为弹性元件特性的非线性度。称为弹性元件特性的非线性度。 maxmax%100maxmaxxl刚度刚度 对非线性系统对非线性系统 对线性系统对线性系统1niiFF111niiFF/FFconstddFFF)(lim0/第二节 弹性元件的基本特性串连系统串连系统并联系统并联系统（柔度）（柔度）二、影响弹性元件特性的因素（以圆柱螺旋弹簧为二、影响弹性元件特性的因素（以圆柱螺旋弹簧为 例）例） 由特性解析式得由特性解析式得几何尺寸参数的影响几何尺寸参数的影响可调整方法予以消除可调整方法予以消除温度的影响温度的影响切变模量、弹性模量的温度特性切变模量、弹性模量的温度特性

6、弹性滞后弹性滞后和和弹性后效弹性后效的影响的影响较大安全系数、较大安全系数、合理的结构和元件的联接方法、特殊合金等。合理的结构和元件的联接方法、特殊合金等。3248( , , ,)D nFf D d n GGd第二节 弹性元件的基本特性第三节 螺旋弹簧一、螺旋弹簧的功能和种类一、螺旋弹簧的功能和种类l功能功能 将沿轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩将沿轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩 弹簧两端的相对位移弹簧两端的相对位移。l圆柱形螺旋弹簧的型式圆柱形螺旋弹簧的型式（依载荷作用方式） 拉伸弹簧（代号拉伸弹簧（代号L L型）型） 压缩弹簧（代号压缩弹簧（代号Y Y型）型） 扭转弹簧（代号扭转

7、弹簧（代号N N型）型）l圆柱螺旋弹簧的设计任务 已知已知：弹簧的最大工作载荷、最大工作变形以及：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、载荷性质）结构和工作条件（如安装空间、载荷性质） 求求：弹簧的几何尺寸和结构参数；设计中既要保：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，又要符合载荷变形特性曲线的证有足够的强度，又要符合载荷变形特性曲线的要求，不失稳，工作可靠；优先选用标准弹簧要求，不失稳，工作可靠；优先选用标准弹簧。第三节 螺旋弹簧第三节 螺旋弹簧圆柱螺旋弹簧的主要参数圆柱螺旋弹簧的主要参数二、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

8、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 螺旋弹簧三、圆柱螺旋拉伸弹簧种类无初拉力无初拉力有初拉力有初拉力F F0 0弹簧圈数拉伸弹簧的端部结构第三节 螺旋弹簧DdF830304)(8DFFdGn)HK(HKFF00四、圆柱螺旋扭转弹簧受转矩受转矩T T作用后的扭转变形作用后的扭转变形弹簧圈数弹簧圈数2180obEInM D第三节 螺旋弹簧EInDMEInDMEIlMradbbb22180)()(第四节 游丝一、游丝的种类、要求和材料一、游丝的种类、要求和材料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： 能实现给定弹性特性能实现给定弹性特性, ,误差小误差小;

9、; 滞后和后效现象应较小滞后和后效现象应较小; ; 特性不随温度变化特性不随温度变化; ; 具有好的防磁性能和抗蚀性具有好的防磁性能和抗蚀性; ;l要求要求： 游丝的重心应位于几何中心上游丝的重心应位于几何中心上; ;游丝的圈间螺距应相等游丝的圈间螺距应相等, ,工作中无碰圈现象工作中无碰圈现象; ;若兼作导电元件时若兼作导电元件时, ,游丝材料应有较小的电阻系游丝材料应有较小的电阻系数。数。l材料：材料： 锡青铜（锡青铜（QSn4-3QSn4-3）、铍青铜（）、铍青铜（Qbe2Qbe2）、恒弹性）、恒弹性合金（合金（Ni42CrTiNi42CrTi）、不锈钢、黄铜、铜锌镊合金。）、不锈钢、黄

10、铜、铜锌镊合金。第四节 游丝二、游丝的结构二、游丝的结构游丝端部的固定方法游丝端部的固定方法三、游丝的特性三、游丝的特性 312aEIEbhMLL第四节 游丝四、游丝的设计 * * 标准游丝标准游丝国家标准（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）游丝力原始数据通常为最大（小）游丝力矩矩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

11、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（1 1）初定游丝圈数）初定游丝圈数n n和游丝宽厚比和游丝宽厚比u(=b/h)u(=b/h)（对标（对标准游丝）准游丝） 游丝圈数与总转角有关，选取以使每圈转角减游丝圈数与总转角有关，选取以使每圈转角减小为原则。小为原则。 宽厚比选择以对滞后和后效的要求为主，兼顾宽厚比选择以对滞后和后效的要求为主，兼顾减轻重量和制造工艺。减轻重量和制造工艺。使 用 条 件b/hb/hn n电工测量游丝（工作角约电工测量游丝（工作角约9090o o) )8 815155 51010机械表接触游丝机械表接触游丝( (工作角工作角300300

12、o o以上以上) )4 48 810101414手表振荡条件下使用的游丝手表振荡条件下使用的游丝3.53.51414左右左右第四节 游丝(2)(2)按结构条件初定长度按结构条件初定长度L L(3)(3)按特性条件确定宽度按特性条件确定宽度b b和厚度和厚度h(h(圆整为标准值）圆整为标准值）(4)(4)按强度条件校验最大应力按强度条件校验最大应力(5)(5)长度长度L L、圈数圈数n n、圈间距离圈间距离a a122DDLn412LMhuE26/()bbMbh31212212()2DDEbhLLnaMDDnbuh第四节 游丝第五节 片簧l片簧的分类和用途按其外形分：直片簧按其外形分：直片簧a

13、a、弯片簧、弯片簧b b、c c按其截面形状分：等截面片簧、变截面片簧按其截面形状分：等截面片簧、变截面片簧按安装情况分：有初应力和无初应力按安装情况分：有初应力和无初应力 主要用于弹簧工作行程和主要用于弹簧工作行程和作用力均不大的情况。作用力均不大的情况。l直片簧的结构第五节 片簧l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有初应力片簧和无初应力片簧的特性 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、从动层l应用：应用：温度测量元件、温度控制温度测量元件、温度

14、控制元件、温度补偿元件元件、温度补偿元件l材料材料 主动层主动层黄铜、锰镊合金、铁黄铜、锰镊合金、铁镊铬、镍钼合金镊铬、镍钼合金 被动层被动层铁镍合金铁镍合金第七节 其它弹性元件简介l弹簧管压力弹簧管弹簧管截面形状l波纹管l膜片、膜盒a)平膜片 b)波纹膜片膜盒l橡胶弹簧l空气弹簧l油气弹簧l异型弹簧元件 形状记忆合金弹簧 波形弹簧End测量弹性元件弹簧秤、压力表力弹簧钟表发条、棘轮机构中的弹簧弹性滞后现象弹性后效现象圆柱螺旋压缩弹簧特性线特性线载荷与变形的关系载荷与变形的关系等节距圆柱螺旋弹簧的特性等节距圆柱螺旋弹簧的特性线是一条直线。线是一条直线。 最小载荷最小载荷 F F1 1(0.1(

15、0.10.5)F0.5)Fmaxmax最大载荷最大载荷F Fmaxmax由工作条件决由工作条件决定，一般定，一般F Fmaxmax 0.8F0.8F3 3。常数2211FF)(0HHKKF圆柱螺旋压缩弹簧强度计算Tmax11.6/TdFK CT=FDcos/2弹簧丝直径试算Mb=FDsin/2FQ=FcosFN=Fsin3max1max8dDFK圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算弹簧特性弹簧特性弹簧的有效圈数弹簧的有效圈数弹簧刚度弹簧刚度 38GdnFCGdnFCGdnFD34388nCGdnDGdF33488圆柱螺旋压缩弹簧稳定性计算弹簧的失稳弹簧的失稳 高径比高径比b bH H0 0/D/D稳定性与弹簧两端稳定性与弹簧两端的支承情况有关的支承情况有关 不失稳的条件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 bFC 1.改变b值，使其小于 允许值