机械设计基础 弹簧 课件

主讲人：田艳行spring机械设计基础模块九弹簧弹簧的功能、类型和材料圆柱螺旋弹簧的结构和制造圆柱螺旋弹簧的设计一二三弹簧的功能、类型和材料一一、弹簧的功能弹簧是一种弹性元件,由于材料的弹性和弹簧的结构特点,它具有多次重复地随外载荷的大小而做相应的弹性变形,卸载后立即恢复原状的特性,可以控制机件的运动、缓和冲击或振动、贮蓄能量、测量力的大小等,广泛用于机器、仪表中。其主要功能有以下几点。(1)减振和缓冲,如车辆的悬挂弹簧、各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。(3)测力,如测力器和弹簧秤的弹簧等。(3)储存及输出能量,如钟表弹簧、枪栓弹簧、仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。(4)控制运动,如控制弹簧门关闭的弹簧,离合器、制动器上的弹簧,控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。弹簧的分类方法很多。按照所承受的载荷不同,弹簧可分为拉伸弹簧[见图(a)]、压缩弹簧[见图(b)、图(c)]、扭转弹簧[见图(d)]等;按照形状的不同,弹簧可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等。弹簧类型二、弹簧的类型压缩弹簧螺旋弹簧是用金属丝(条)按螺旋线卷绕而成的,由于制造简便,因而应用最广。其按形状可分为圆柱形、截锥形。环形弹簧[见下图(a)]和碟形弹簧[见下图(b)]都属于压缩弹簧,在工作过程中因为一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上,所以具有很高的缓冲吸振能力,多用于重型机械的缓冲装置。二、弹簧的类型左图所示为平面涡卷弹簧,或称盘簧,它的轴向尺寸很小,常用作仪器和钟表的储能装置。右图所示为板弹簧,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。盘簧板弹簧二、弹簧的类型弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作,而且要求在受极大应力的情况下不产生塑性变形,因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限,不易松弛,同时要求有较高的冲击韧性、良好的热处理性能等。弹簧的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。三、弹簧的材料1.碳素弹簧钢

碳素弹簧钢的优点是价格便宜,原材料来源方便;缺点是弹性极限低,多次重复变形后易失去弹性,且不能在高于120℃的温度下正常工作。2.低锰弹簧钢低锰弹簧钢与碳素弹簧钢相比,优点是淬透性较好和强度较高;缺点是淬火后容易产生裂纹及热脆。但因为价格便宜,所以一般机械上常用的尺寸不大的弹簧可以用此种材料制造,如离合器弹簧等,常见型号如65Mn。四、减速器的设计步骤3.硅锰弹簧钢硅锰弹簧钢中因加入了硅,故弹性极限显著提高,回火稳定性也提高了,因此可在更高的温度下回火,从而得到良好的力学性能。但含硅量高时,其表面易于脱碳。由于锰的脱碳性小,故在钢中加入硅、锰这两种元素,就是为了发挥各自的优点,并减少彼此的缺点,因此硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用,一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧,常见型号如60Si2MnA。四、减速器的设计步骤钢中加入钒的目的是细化组织,提高钢的强度和韧性,故50铬钒钢这种材料是耐疲劳和抗冲击性能良好的弹簧钢。它有良好的力学性能,并能在-40~350℃的温度下工作,但价格较贵。航空发动机调节系统中的弹簧多采用此种材料,如柱塞油泵的柱塞弹簧等。此外,某些不锈钢和青铜等材料,具有耐腐蚀的特点,青铜还具有防磁性和导电性,故常用于制造化工设备中或工作于腐蚀性介质中的弹簧。其缺点是不容易热处理,力学性能较差,在一般机械中很少采用。四、减速器的设计步骤4.50铬钒钢

四、减速器的设计步骤4.50铬钒钢注:Ⅰ类弹簧指受变载荷作用次数大于106,或很重要的弹簧;Ⅱ类弹簧指受变载荷作用次数为103~105,或受冲击载荷的弹簧,或受静载荷的重要弹簧;Ⅲ类弹簧指受变载荷作用次数小于103,或受静载荷的弹簧。四、减速器的设计步骤4.50铬钒钢四、减速器的设计步骤四、减速器的设计步骤圆柱螺旋弹簧的结构和制造二

圆柱螺旋弹簧又分为圆柱螺旋压缩弹簧和圆柱螺旋拉伸弹簧。

圆柱螺旋压缩弹簧的端部结构一、圆柱螺旋弹簧的结构1.圆柱螺旋压缩弹簧的结构圆柱螺旋拉伸弹簧的螺旋结构与圆柱螺旋压缩弹簧的基本相同,不同的是:在自由状态下,圆柱螺旋拉伸弹簧各圈相互并拢,即间距等于零。这类弹簧可分为无预应力和有预应力两种,前者的各圈虽然并紧,且相互间没有压紧力,故在自由状态下弹簧丝中没有预应力;而后者是在卷绕成形时,使弹簧丝绕其自身轴线扭转,制成弹簧的各圈之间具有一定的压紧力,故在自由状态下弹簧丝中存在着一定的预应力。有预应力的拉伸弹簧主要用在要求弹簧轴向尺寸较小的场合。一、圆柱螺旋弹簧的结构2.圆柱螺旋拉伸弹簧的结构圆柱螺旋拉伸弹簧的端部制出挂钩,以便安装和加载。常用的端部结构形式如图所示。圆柱螺旋拉伸弹簧的端部结构一、圆柱螺旋弹簧的结构2.圆柱螺旋拉伸弹簧的结构

改进的挂钩形式一、圆柱螺旋弹簧的结构2.圆柱螺旋拉伸弹簧的结构圆柱螺旋弹簧的主要参数如下图所示,具体如下。

圆柱螺旋弹簧的主要参数

二、圆柱螺旋弹簧的主要参数

二、圆柱螺旋弹簧的主要参数

圆柱螺旋弹簧的主要参数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10mm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。三、弹簧的制造为了提高弹簧的承载能力,在弹簧制成后,可再进行强压处理或喷丸处理等强化措施。强压处理是使弹簧在超过极限载荷下受载6~48h;喷丸处理是用一定的速度向弹簧喷射钢丸或铸铁丸。这两种强化处理都是使弹簧的表层产生塑性变形,保留有利的残余应力。由于残余应力的方向恰与工作应力相反,故在弹簧受载时可抵消部分工作应力。经强化处理的弹簧不宜在较高温度(150~450℃)和长期振动及有腐蚀介质的场合工作。三、弹簧的制造弹簧制作完成后,要根据技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验,以检验弹簧是否符合技术要求。需特别指出的是,弹簧的持久强度和抗冲击强度在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况。因此弹簧的表面必须光洁,没有裂纹和伤痕等缺陷,脱碳层深度应符合技术条件的规定。重要用途的弹簧还需进行表面保护处理(如镀锌),普通的弹簧一般涂油或漆。三、弹簧的制造圆柱螺旋弹簧的设计三下面讨论的是在Ⅲ类载荷(静载荷)作用下弹簧的应力、变形计算。

弹簧丝的应力分析一、圆柱螺旋弹簧的应力分析1.弹簧的应力计算

弹簧丝的应力分析一、圆柱螺旋弹簧的应力分析1.弹簧的应力计算

一、圆柱螺旋弹簧的应力分析1.弹簧的应力计算

一、圆柱螺旋弹簧的应力分析2.弹簧的变形计算不同弹簧丝直径推荐用的旋绕比见下表。G、d、C、n对弹簧刚度都有影响,设计时应综合考虑这些因素。一、圆柱螺旋弹簧的应力分析2.弹簧的变形计算

圆柱螺旋压缩弹簧特性曲线二、特性曲线

圆柱螺旋拉伸弹簧特性曲线二、特性曲线在设计时,通常根据弹簧的最大载荷、最大变形、结构要求(如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、螺旋升角和弹簧长度等。其具体设计方法和步骤如下。(1)选择材料,确定许用应力。①选择材料,并查取其力学性能数据。②初选弹簧旋绕比C。通常可取C=5~8(极限状态时不小于4或超过16),并按式(10-3)算出曲度系数k值。③根据初选C值及安装空间估计弹簧中径D2,估取弹簧丝直径d,并由表10-1查取弹簧丝的许用应力。三、弹簧的设计步骤

三、弹簧的设计步骤

压缩弹簧的失稳导杆和导套三、弹簧的设计步骤

不稳定系数值三、弹簧的设计步骤

(6)绘制弹簧工作图。一张完整的弹簧工作图,应包括几何参数、物理参数和技术条件等三方面的内容。几何参数包括弹簧的形状和尺寸;物理参数主要指变形与载荷的关系及相应变形下的载荷大小;技术条件则为弹簧满足使用要求而需要达到的性能指标(如热处理硬度)及需要采取的工艺措施(如强压处理、喷丸处理、氧化处理或镀锌等)。三、弹簧