第12章 弹性元件

第十二章

弹性元件精密机械设计基础弹性元件：利用材料的弹性性能，完成各种功能的零件或部件。测力产生振动储存能量缓冲和吸振控制机械运动改变机械的自振频率消除空回和配合间隙第一节概述主要功能一、基本概念和功用按结构特点分类

a.片簧b.平面涡卷簧c.螺旋弹簧d.压力弹簧管e.波纹管f.膜片第一节概述二、常见弹性元件的分类和特点根据用途

测量弹簧力弹簧

根据所承受的载荷

拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧根据使用的弹性材料

金属弹簧非金属弹簧（橡胶弹簧等）第一节概述弹性元件的特点

结构简单、价格低廉、占据空间小、安装和固定简单、工作可靠。第一节概述弹簧材料要求

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。常用弹簧材料(表13-1)

碳素弹簧钢合金弹簧钢有色金属合金金属材料橡胶塑料石英陶瓷空气非金属材料第一节概述三、常用弹性元件材料及其特点

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、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：

Ⅰ类——受变载荷作用次数在106以上或很重要的弹性元件。

Ⅱ类——受变载荷作用次数在103-105以上及受冲击载荷的弹性元件。

Ⅲ类——受变载荷作用次数在103以下，即基本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

作用在弹性元件上的力、压力或温度等与变形的关系，称为弹性元件的特性。

＝f(F)(p,t)

特性曲线：直线型、曲线型非线性度：特性曲线与理想直线的最大偏差和弹性元件的最大变形的百分比称为弹性元件特性的非线性度。刚度

对非线性系统

对线性系统第二节弹性元件的基本特性串连系统并联系统（柔度）二、影响弹性元件特性的因素（以圆柱螺旋弹簧为例）由特性解析式得几何尺寸参数的影响——可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弹性滞后和弹性后效的影响——较大安全系数、合理的结构和元件的联接方法、特殊合金等。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功能

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。圆柱形螺旋弹簧的型式（依载荷作用方式）

—拉伸弹簧（代号－L型）—压缩弹簧（代号－Y型）—扭转弹簧（代号－N型）圆柱螺旋弹簧的设计任务

已知：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）

求：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γ二、圆柱螺旋压缩弹簧特性线强度计算刚度计算稳定性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有初拉力F0弹簧圈数拉伸弹簧的端部结构第三节螺旋弹簧四、圆柱螺旋扭转弹簧受转矩T作用后的扭转变形弹簧圈数第三节螺旋弹簧第四节游丝一、游丝的种类、要求和材料种类：测量游丝、接触游丝要求：①能实现给定弹性特性,误差小;②滞后和后效现象应较小;③特性不随温度变化;④具有好的防磁性能和抗蚀性;要求：

⑤游丝的重心应位于几何中心上;⑥游丝的圈间螺距应相等,工作中无碰圈现象;⑦若兼作导电元件时,游丝材料应有较小的电阻系数。材料：锡青铜（QSn4-3）、铍青铜（Qbe2）、恒弹性合金（Ni42CrTi）、不锈钢、黄铜、铜锌镊合金。第四节游丝二、游丝的结构——游丝端部的固定方法三、游丝的特性第四节游丝四、游丝的设计

*标准游丝－国家标准（GB12159-90）

*非标准游丝－设计与计算

已知：原始数据通常为最大（小）游丝力矩M2（M1）和最大（小）游丝转角2（1），以及游丝的用途和安装空间。

求：游丝的宽度b、厚度h、长度L（圈数n）及其它结构参数。第四节游丝（1）初定游丝圈数n和游丝宽厚比u(=b/h)（对标准游丝）

游丝圈数与总转角有关，选取以使每圈转角减小为原则。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。使用条件b/hn电工测量游丝（工作角约90o)8～155～10机械表接触游丝(工作角300o以上)4～810～14手表振荡条件下使用的游丝3.514左右第四节游丝(2)按结构条件初定长度L(3)按特性条件确定宽度b和厚度h(圆整为标准值）(4)按强度条件校验最大应力(5)长度L、圈数n、圈间距离a第四节游丝第五节片簧片簧的分类和用途按其外形分：直片簧－a、弯片簧－b、c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主要用于弹簧工作行程和作用力均不大的情况。直片簧的结构第五节片簧直片簧的种类按截面形状：等截面、变截面按安装情况：有初应力片簧－a、无初应力片簧－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组成：主动层、从动层应用：温度测量元件、温度控制元件、温度补偿元件材料

主动层－黄铜、锰镊合金、铁镊铬、镍钼合金

被动层－铁镍合金第七节其它弹性元件简介弹簧管压力弹簧管弹簧管截面形状波纹管膜片、膜盒a)平膜片b)波纹膜片膜盒橡胶弹簧空气弹簧油气弹簧异型弹簧元件－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－载荷与变形的关系等节距圆柱螺旋弹簧的特性线是一条直线。

最小载荷

F1＝(0.1～0.5)Fmax最大载荷Fmax由工作条件决定，一般Fmax0.8F3。圆柱螺旋压缩弹簧强度计算T=FDcosγ/2弹簧丝直径－试算Mb=FDsinγ/2FQ=FcosγFN=Fsinγ圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算弹簧特性弹簧的有效圈数弹簧刚度

圆柱螺旋压缩弹簧稳定性计算弹簧的失稳

高径比b＝H0/D稳定性与弹簧两端的支承情况有关

不失稳的条件不失稳的条件：弹簧两端固定b<5.3弹簧一端固定，另一端回转b<3.7弹簧两端回转

b<2.6若b不满足条件，进行稳定性计算圆柱螺旋压缩弹簧若Fmax>FC1.改变b值，使其小于允许值；2.结构保证稳定性：a）导杆