第18章-弹簧分析.ppt

1、机械设计基础,第18章 弹簧,弹簧：是一般种弹性元件,具有多次重复地随外载荷的大小而作相应的弹性变形,卸载后又能立即恢复原状的特性。,1. 弹簧的功用,（1）存储能量; （2）吸收振动; （3）机械零件位置及作用力的控制; （4）测力弹簧。,18.1 弹簧的功用和类型,2. 弹簧的类型,按受载分:,拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧,按形状分:,螺旋弹簧、板弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘簧、空气弹簧、橡胶弹簧等。,18.2 材料与制造,18.2.1 弹簧的材料,（1）高疲劳强度 ；（2）高弹性极限； （3）高冲击韧性（防止突然断裂） ；（4）很好的热处理性能。,材料要求（一般认为受脉动载荷，

2、即脉动应力）,弹簧按载荷分为三类：,II类弹簧：受变载荷作用次数在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：受变载荷作用次数在103 ，或受静载荷的弹簧。,I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。,选用材料的注意点：,（1）使用条件（载荷大小、方向、循环特性、温度、工作介质等）；（2）功用；（3）重要程度。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。,碳素弹簧钢：含碳量在0.60.9%之间，如65、70、85,合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。,有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 应用于受力较小又要求防腐蚀、防磁的场合。,优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较

3、高的强度， 适宜的韧性和塑性。,缺点：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的弹簧。,优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。,常用材料及其使用性能（表18-1）,制造过程：,表面要求：,18.2.2 弹簧的制造,强压处理：,d8mm 热卷制：加热卷制淬火回火 d8mm 冷卷制：卷制低温回火,光洁、无裂纹、无伤痕,卷绕、端面加工（压簧）或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。,将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。,经强压处理可提高承载能力。,18.3 弹簧工作原理,18.3.1

4、特性曲线,四种典型类型,弹簧载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。,18.3.2 弹簧刚度,受变载荷或冲击载荷时，最好将弹簧设计成变刚度，随着载荷的增加弹簧刚度将越来越大。,18.3.3 等效弹簧,使用单个弹簧不能满足载荷、位移等要求时，可以采用组合弹簧（串联、并联）。,18.3.4 弹簧的变形能与阻尼,无摩擦，能量无损耗,有外部摩擦，消耗能量,如环形、蝶形、板弹簧,有内部摩擦，消耗能量,如非金属材料制弹簧,如圆柱螺旋弹簧,阻尼系数,18.4.1 强度计算,簧丝受力分析,切向力 法向力 扭 矩 弯 矩,弹簧指数（旋绕比）,其中D2为弹簧中径，d为簧丝直径,C大，弹簧刚度小，易发生抖动 C

5、小，加工困难，簧丝内外侧应力悬殊，刚度大，材料利用率低,18.4 圆柱螺旋压缩弹簧,强度条件：,（1）d 应符合标准直径 （2）选定d，查取T，再 计算d，比较，差距大， 重新计算 （3）C在计算前应事先假定， 一般 C = 5 8,注意：,目的：确定弹簧直径D2和弹簧丝直径d,18.4.2 刚度计算,ds弧段上两端截面的 相对转角为d,两端截面的轴向位移为,积分后得,变换上式,弹簧刚度为,目的：确定弹簧的圈数n,18.4.3 压缩弹簧的稳定性问题,一般H0/D235时不会出现失稳现象,取值与端部固定方式有关,均为回转端时2.6,均为固定端时5.3,一端固定，一端回转时3.7,解决措施：,（1

6、）加导向杆 （2）加导向套 （3）端面加工与轴心线垂直 （要求较高）,18.4.4 压缩弹簧的结构尺寸,压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距 。,支承圈或死圈：两端有3/45/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。,端部磨平-重要弹簧,端部不磨平- 一般用途,压缩弹簧的端部结构,压缩弹簧自由长度H0,压缩弹簧的总圈数：,n1 = n+(1.52.5) n为有效圈数,为使工作平稳，n1的尾数取1/2,H0=n+(n1+1)d,H0=n+(n1-0.5)d,对于两端并紧磨平结构,两端并紧不磨平结构：,拉伸弹簧的结构特点：,a) 各圈相互并紧=0；,b) 制作完成后具有初拉力；,c)

7、端部做有拉钩，以便安装和加载。,拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。,半圆钩环型、圆钩环型特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。,转钩、可调转钩特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。,18.5 圆柱螺旋拉伸弹簧,18.6 扭转弹簧,扭转弹簧簧丝中主要受弯矩M作用，强度计算以弯曲疲劳强度为主。,18.7 其他弹簧,1. 环形弹簧,特点：缓冲性能好,2. 碟形弹簧,结构特点：,载荷、变形：,用钢板冲制而成，外形象碟子。,往往将多个组合使用,轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。,特性曲线：,重要特性：,利用这一特性可在一定变形范围内保持载

8、荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。,呈非线性，变形取决于比值h/t变化。,当 时，中间一段接近于水平。,碟形弹簧组合形式：,（1）对合式组合弹簧,变形量增加，承载力不变。,由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和 卸载特性曲线不一样。,阴影面积 吸振能力,摩擦消耗的能量,阴影面积代表损失的能量,（3）复合式弹簧,（2）叠合式组合弹簧,摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振,在变形量不变时，承载力大大增加 。,可同时增加变形量和承载能力,碟形组合弹簧优点：,变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。,碟形组合弹簧用途：,常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广泛地应用。,碟形组合弹簧缺点：,用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造