第12章-弹性元件

第12章弹性元件弹簧的应用弹簧的应用12.1概述

12.1.1基本概念和功用弹性：材料在外力作用下产生变形，外力去除后能恢复原状的性能，称为材料的弹性。

弹性元件：利用材料弹性性能和结构特点完成各种功能的零部件称为弹性元件概念主要功用1)测力例如弹簧秤中的弹簧、测力矩扳手的弹簧等。2)产生振动例如振动筛、振动传输机中的支承弹簧等。3)储存能量例如钟表弹簧(发条)、枪栓弹簧等。4)缓冲和吸振例如各种车辆的减振弹簧和各种缓冲器中的弹簧。5)控制机械运动例如内燃机气缸的阀门弹簧和离合器中的控制弹簧。6)改变机械的自振频率例如用于电机和压缩机的弹性支座。7)消除空回和配合间隙例如各种微动装置中用以消除空回的压缩弹簧。12.1.1基本概念和功用常见类型（1）按结构特点分类1）片簧：金属薄片制成的片状弹性元件2）平卷簧：带材绕制成的平面螺线形弹性元件3）螺旋弹簧：金属材料制成的空间螺旋形弹性元件4）弹簧管：薄壁管制成的圆弧形中空管状弹性元件5）波纹管：圆柱形薄壁筒制成得带有环状波纹的弹性元件6）膜片：圆形薄片制成的弹性元件12.1.2常用弹性元件的分类和特点（2）按照用途分类

1)测量弹性元件：用来把某些物理量（如力、压力、温度等）转变成弹性元件的变形，以便进行测量。例如，测量气体、液体压力的膜盒（由两片对扣在一起的膜片组成）。2)力弹性元件：

用来作为传动系统的能源或者完成结构的力封闭（3）根据所承受的载荷分类

拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧（4）根据使用的弹性材料

金属弹簧（圆柱螺旋弹簧）非金属弹簧（橡胶弹簧、空气弹簧）12.1.2常用弹性元件的分类和特点弹簧材料要求

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。

12.1.3常用弹性元件材料及其特点碳素弹簧钢合金弹簧钢有色金属合金1、金属材料材料橡胶塑料石英陶瓷空气2、非金属材料

常用材料的性能见表12-l

12.1.4弹性元件的许用应力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：（1）I类——受变载荷作用的次数在106。次以上或很重要的弹性元件如内燃机气门弹簧、电磁制动器弹簧等。（2）II类——受变载荷作用的次数在103～105次以上及受冲击载荷的弹性元件，如调速器弹簧、一般车辆弹簧等。（3）III类——受变载荷作用次数在105次以下，即基本受静载荷的弹性元件，如一般安全弹簧、摩擦式安全离合器弹簧等。

弹性元件的许用应力不仅与材料的种类有关，也与材料的质量、热处理方法、载荷性质、弹簧钢丝的尺寸有关。碳素弹簧钢（65、70钢）12.1.4弹性元件的许用应力

作用在弹性元件上的力、压力或温度等工作载荷与变形量之间的关系，称为弹性元件的特性。基本特性解析式：＝f(F)(p,t)12.2弹性元件的基本特性12.2.1弹性元件的基本特性特性曲线：直线型、曲线型弹性元件的特性曲线与理想直线之间的最大偏差和弹性元件的最大变形之间的百分比为弹性元件的最大非线性误差，定义为弹性元件的非线性度。如果弹性元件的变形和载荷之间线性关系，则弹性元件的非线性度为零。

12.2.1弹性元件的基本特性并联系统刚度：使弹簧产生单位变形量的载荷弹性元件具有线性特性时，其刚度为常数，即串连系统刚度等于每个元件刚度之和

刚度的倒数为柔度，则串联弹性元件组成系统的柔度等于每个元件的柔度之和

12.2.2影响弹性元件特性的因素由特性解析式得,如圆柱螺旋弹簧的特性式：1、几何尺寸参数的影响

螺旋弹簧的特性与其几何尺寸和参数(D、d、n)有关

可以采用调整的方法予以消除。如调节弹簧的工作圈数n12.2.2影响弹性元件特性的因素2、温度的影响

弹性元件的特性还与材料的切变模量有关

采用温度系数值极小的材料，或采用补偿的方法，用具有正温度系数的弹性材料减小影响3、弹性滞后和弹性后效的影响

弹性滞后弹性后效原因比较复杂，可通过选取较大的安全系数、合理选定结构和元件的连接方法(减小应力集中)、采用特殊合金等以减小弹性滞后和弹性后效。12.3螺旋弹簧

12.3.1螺旋弹簧的功能和特点

螺旋弹簧是用金属线材绕制成空间螺旋线形状的弹性元件。用来将沿轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩转换为弹簧两端的相对位移(沿轴线方向的轴向位移或垂直于轴线的平面上的角位移)；或者将两端的相对位移转换为作用力或力矩。螺旋弹簧簧丝的截面通常是圆形或矩形，也有方形和菱形的。

圆柱形螺旋弹簧的型式（依载荷作用方式）（1）拉伸弹簧－L型：承受沿轴向的拉力作用

（2）压缩弹簧－Y型：承受沿轴向的压力作用（3）扭转弹簧－N型：承受绕轴线的扭转力矩的作用12.3.1螺旋弹簧的功能和特点12.3.2螺旋弹簧的制造工艺

制造过程包括：卷绕、两端面加工或钩环制作、热处理和工艺性试验等

簧丝直径小于10mm时，常用冷卷法。并经低温回火消除内应力。弹簧热卷后须经淬火和回火处理。重要的压缩弹簧，为保证两端支承面与轴线垂直，应将端面圈磨平。对拉伸和扭转弹簧，两端应制有钩环或杆臂。为了提高弹簧的承载能力，可以在卷制后进行强压处理,不允许再进行热处理，也不宜在高温、变载荷以及腐蚀性环境工作。对承受交变载荷的弹簧，可以采用喷丸处理以提高其疲劳强度和寿命。弹性元件必须进行时效处理12.3.3圆柱螺旋弹簧的结构特点和基本几何参数

1、圆柱螺旋压缩弹簧自由状态下各圈之间应有适当间距在最大载荷作用下应留有一定的间隙

两端各有3/4～7/4圈并紧，称为支承圈或死圈。当弹簧的工作圈数不大于7时，每端的支承圈数约为3／4；当工作圈数大于7时，每端的支承圈数约为l～7／4。在受变载荷作用的重要场合，应该采用并紧磨平端面，死圈的磨平长度应不小于一圈弹簧圆周长度的1／4，末端厚度约为0.25d。

1、圆柱螺旋压缩弹簧12.3.3圆柱螺旋弹簧的结构特点和基本几何参数2、圆柱螺旋拉伸弹簧空载时弹簧各圈并拢。无预应力的弹簧受力时各圈之间产生间隙；有预应力的弹簧各圈之间有一定的压紧力，只有在外加拉力大于压紧力后各圈才开始分离，因而可以节省弹簧的轴向工作空间。

钩环的结构形式如图12.9

图12.8拉伸弹簧的结构图12.9拉伸弹簧的端部结构12.3.3圆柱螺旋弹簧的结构特点和基本几何参数圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的主要结构参数见表12-2。弹簧中径D与簧丝直径d之比称为弹簧的旋绕比C=D/d，又称弹簧指数。

其他条件相同时，C值太小，卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，簧丝内、外侧的应力差悬殊，材料利用率降低；反之，C值过大，应力过小，弹簧卷制后将有显著回弹。通常情况下C=5～8，也可以参照表12-3进行选用。表12-3旋绕比C的荐用值d/mm0.2~0.40.45~11.1~2.22.5~67~16C=D/d7~145~125~104~94~8旋绕比12.3.4圆柱螺旋弹簧的特性和应力1、圆柱螺旋弹簧的特性线2、圆柱螺旋弹簧的强度和刚度计算（1）压缩弹簧

强度和刚度计算

稳定性计算（2）拉伸弹簧（3）扭转弹簧12.3.5圆柱螺旋弹簧的设计计算例12-1设计一个具有初应力的圆柱螺旋拉伸弹簧。已知弹簧作一般用途且不经常工作；当弹簧变形量为6.5mm时，拉力=180N；当变形量为17mm时，拉力；限制弹簧外径不大于16mm，自由高度不大于l00mm。

解：（1）首先选择材料：作一般用途，属第Ⅲ类弹簧，可以选用Ⅱ组碳素弹簧钢丝。（2）初定弹簧中径和簧丝直径(尽量选用标准值)：限制弹簧外径不大于16mm，同时弹簧的旋绕比通常不小于4，所以簧丝直径应不大于3mm；初步选定弹簧中径D=12mm，并假定三种不同的簧丝直径d=2.5mm、2.8mm、3mm，采用列表法进行计算比较。假设弹簧端部采用整圈钩环的型式。

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。12.3.5圆柱螺旋弹簧的设计计算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圆柱螺旋扭转弹簧受转矩T作用后的扭转变形弹簧圈数12.4游丝

12.4.1游丝的种类、要求和材料

游丝是用带料绕制成的平面螺线形状的弹性元件。

根据用途不同，游丝可分为测量游丝和接触游丝两种。

测量游丝在仪表中是作为测量元件的。例如在电表中，用游丝的反力矩来平衡电磁力矩，即通过它把力矩转换为转角，从而测量电流或电压值。

又例如，在机械式钟表中，游丝和摆轮组成机械振荡系统，按其振荡周期来计时。接触游丝主要用于百分表、压力表等仪表中。在这些仪表的指针轴上施加单方向的游丝力矩，使齿轮、杠杆传动机构总能保持单方向接触，消除回差。种类要求7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、重心位置准、圈间距离相等、电阻系数小测量游丝要求较高材料：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12.4.1游丝的种类、要求和材料游丝的结构－游丝端部的固定方法第四节游丝12.4.2游丝的结构游丝工作时，其外端固定不动，内端随转轴转动。所以，游丝扭紧时，靠固定端的一边外径大小不变，间距也变化较小，而在与固定端相对的一边外径则将缩小，间距也减小，工作转角大时，可能出现贴圈现象。图为手表游丝的外端固定结构简图.游丝外端固定在外桩3上，再用螺钉将外桩固定在小夹板上。当调快慢针1的位置时，可改变快慢夹2夹游丝的位置，从而改变游丝的工作长度，即改变其刚度.12.4.3游丝的特性游丝的设计－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。12.4.4游丝的设计12.5片簧

按其外形：直片簧－a、弯片簧－b、c12.5.1片簧的类型和功用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－b12.5.2直片簧的结构和种类第五节片簧双螺钉固定防转结构防转12.6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－铁镍合金带双金属片的闭合触点装置12.6.1热双金属弹簧的结构和应用12.6.2热双金属弹篱的材料和制造12.7其他弹性元件简介12.7.1弹簧管压力弹簧管弹簧管截面形状压力p位移s12.7.2波纹管第七节其它弹性元件简介波纹管的应用第七节其它弹性元件简介密封元件介质分隔元件导管挠性联接元件12.7.3膜片、膜盒a)平膜片b)波纹膜片膜盒第七节其它弹性元件简介电容式压力传感器膜片12.7.4各种异型弹性元件End弹性滞后现象

弹性滞后：指在弹性范围内加载与去载时特性曲线不相重合的现象弹性后效现象弹性后效：指载荷改变后，不是立刻完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成的压缩弹簧特性线

等节距圆柱螺旋弹簧的特性线是一条直线。工作行程：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。=-=-无初拉力时，图b)有初拉力F0时，图c)12.3螺旋弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧特性线弹簧圈数(1)压缩弹簧强度受力分析

在轴向载荷作用下，将作用有扭矩﹑弯矩﹑切向力和法向力

螺旋升角γ较小(5°～9°)，计算时可以将弯矩和法向力忽略不计。(1)压缩弹簧强度计算簧丝应力计算：

为曲度系数

弹簧在承受最大载荷作用时，要满足强度条件

圆弹簧丝直径的计算值

按表12-l规定选取

圆柱螺旋压缩弹簧刚度计算弹簧刚度

弹簧变形量

弹簧有效圈数

计算后圆整：n<15，则取n为0.5圈的倍数；n>15，则取为整圈数。弹簧的有效圈数最少为两圈。圆柱螺旋压缩弹簧

稳定性计算

弹簧的失稳：b＝H0/D2比较大，当载荷达到一定值时，弹簧会突然发生侧向弯曲，使弹簧刚度突然降低，称之为压缩弹簧的失稳。稳定性与弹簧两端的支承情况有关若b不满足条件，进行稳定性计算：Fmax>FC

不失稳的条件：（1）弹簧两端固定：b<5.3（2）弹簧一端固定，另一端回转：b<3.7（3）弹簧两端回转：b<2.6圆柱螺旋压缩弹簧

稳定性计算保证不失稳的措施：1.改变b值，使其小于允许值；2.Fmax>FC3.B和F不能满足时，采用结构保证：a）加导杆b）加导套圆柱螺旋拉伸弹簧无初拉力的拉伸弹簧的特性线和压缩弹簧相似，计算方法也相同。有初拉力的弹簧在自由状态下就受有初拉力的作用，所以将有所不同。如果在其特性线中增加一段假想的变形量x（见图12.11)，则又和无初拉力的特性线完全一样。因此可以直接利用压缩弹簧的强度条件公式来计算拉伸弹簧的簧丝直径。

初拉力

有效圈数（无初拉力弹簧，则）表12-1