精密機械設(shè)計基礎(chǔ)-r13彈性元件

1、第十三章第十三章 彈性元件彈性元件 參考文獻參考文獻 l張策主編，張策主編，機械原理與機械設(shè)計機械原理與機械設(shè)計（下（下 冊），機械工業(yè)出版社，冊），機械工業(yè)出版社，20042004 l濮良貴主編，濮良貴主編，機械設(shè)計機械設(shè)計，高等教育出，高等教育出 版社，版社，20062006 l其他機械設(shè)計的相關(guān)書籍其他機械設(shè)計的相關(guān)書籍 第一節(jié) 概述 l主要功用主要功用 測力測力 產(chǎn)生振動產(chǎn)生振動 儲存能量儲存能量 緩沖和吸振緩沖和吸振 控制機械運動控制機械運動 改變機械的自振批率改變機械的自振批率 消除空回和配合間隙消除空回和配合間隙 彈性彈性元件彈性彈性元件 l常見類型（按結(jié)構(gòu)特點分類）常見類型（按

2、結(jié)構(gòu)特點分類） a.a.片簧片簧 b.b.平面渦卷簧平面渦卷簧 c.c.螺旋彈簧螺旋彈簧 d.d.壓力彈簧管壓力彈簧管 e.e.波紋管波紋管 f.f.膜片膜片 第一節(jié) 概述 l分類（根據(jù)用途）分類（根據(jù)用途） 測量彈簧測量彈簧 力彈簧力彈簧 l分類（根據(jù)所承受的載荷）分類（根據(jù)所承受的載荷） 拉伸彈簧拉伸彈簧 壓縮彈簧壓縮彈簧 扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧 彎曲彈彎曲彈 簧簧 l分類（根據(jù)使用的彈性材料）分類（根據(jù)使用的彈性材料） 金屬彈簧（圓柱螺旋彈簧）金屬彈簧（圓柱螺旋彈簧） 非金屬彈簧（橡膠彈簧、空氣彈簧）非金屬彈簧（橡膠彈簧、空氣彈簧） 第一節(jié) 概述 l彈性元件的特點彈性元件的特點 結(jié)構(gòu)簡單、價格

3、低廉、占據(jù)空間小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、占據(jù)空間小、 安裝和固定簡單、工作可靠。安裝和固定簡單、工作可靠。 第一節(jié) 概述 l彈簧材料要求彈簧材料要求 較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌 性和良好的熱處理性能。性和良好的熱處理性能。 l常用彈簧材料常用彈簧材料 金屬金屬 非金屬非金屬 材料材料 材料材料 碳素彈簧鋼碳素彈簧鋼 合金彈簧鋼合金彈簧鋼 有色金屬合金有色金屬合金 橡膠橡膠 塑料塑料 石英石英 陶瓷陶瓷 空氣空氣 第一節(jié) 概述 l螺旋彈簧的制造螺旋彈簧的制造 卷制：冷卷、熱卷卷制：冷卷、熱卷 兩端面加工（壓縮彈簧）兩端面加工（壓縮彈簧） 鉤環(huán)制作（拉伸彈簧

4、）鉤環(huán)制作（拉伸彈簧） 熱處理熱處理 工藝性試驗工藝性試驗 第一節(jié) 概述 l彈性元件的許用應(yīng)力：彈性元件的許用應(yīng)力： 類、類、類、類、類彈簧類彈簧 碳素彈簧鋼碳素彈簧鋼 （65、70鋼）鋼） 第一節(jié) 概述 l彈性元件的基本特性彈性元件的基本特性 f (F ) ( p, t ) 特性曲線特性曲線：直線型、曲線型：直線型、曲線型 剛度剛度 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng) 串連系統(tǒng)串連系統(tǒng) 0 lim(/)/FFdF d 1 n i i FF 1 11 n i i FF /FFconst 第二節(jié) 彈性元件的基本特性 l影響彈性元件特性的因素影響彈性元件特性的因素 由特性解析式得（舉例：圓柱螺旋彈

5、簧）由特性解析式得（舉例：圓柱螺旋彈簧） 幾何尺寸參數(shù)的影響調(diào)整方法予以消除幾何尺寸參數(shù)的影響調(diào)整方法予以消除 溫度的影響切變模量、彈性模量的溫度特性溫度的影響切變模量、彈性模量的溫度特性 彈性滯后彈性滯后和和彈性后效彈性后效的影響較大安全系數(shù)、的影響較大安全系數(shù)、 合理的結(jié)構(gòu)和元件的聯(lián)接方法合理的結(jié)構(gòu)和元件的聯(lián)接方法( (降低應(yīng)力集中降低應(yīng)力集中) )、 特殊合金等特殊合金等 3 2 2 4 8 (, , ,) D n Ff D d n G Gd 第二節(jié) 彈性元件的基本特性 第二節(jié) 彈性元件的基本特性 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 l功能功能 沿軸線方向的力或垂直于軸線平面內(nèi)的力沿軸線方

6、向的力或垂直于軸線平面內(nèi)的力 矩矩 彈簧兩端的相對位移。彈簧兩端的相對位移。 l圓柱形螺旋彈簧的圓柱形螺旋彈簧的型式型式（依載荷作用方式）依載荷作用方式） - -拉伸彈簧拉伸彈簧L L型型 - -壓縮彈簧壓縮彈簧Y Y型型 - -扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧N N型型 l圓柱螺旋彈簧的設(shè)計任務(wù)圓柱螺旋彈簧的設(shè)計任務(wù) 已知已知：彈簧的最大工作載荷、最大工作變：彈簧的最大工作載荷、最大工作變 形以及結(jié)構(gòu)和工作條件（如安裝空間、載形以及結(jié)構(gòu)和工作條件（如安裝空間、載 荷性質(zhì)）荷性質(zhì)） 求求：彈簧的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計中：彈簧的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計中 既要保證有足夠的強度，又要符合載荷變既要保證有足夠的強

7、度，又要符合載荷變 形特性曲線的要求，不失穩(wěn)，工作可靠；形特性曲線的要求，不失穩(wěn)，工作可靠； 優(yōu)先選用標準彈簧。優(yōu)先選用標準彈簧。 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 l圓柱螺旋壓縮彈簧圓柱螺旋壓縮彈簧 特性線特性線 強度計算強度計算 剛度計算剛度計算 穩(wěn)定性計算穩(wěn)定性計算 結(jié)構(gòu)尺寸計算結(jié)構(gòu)尺寸計算 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 l圓柱螺旋拉伸彈簧圓柱螺旋拉伸彈簧 種類種類 無初拉力無初拉力 有初拉力有初拉力F F0 0 彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù) 拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu) 3 0 2 8 d F D 4 3 02 8() G d n FF D 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 l圓柱螺旋

8、扭轉(zhuǎn)彈簧圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧 受轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩T T作用后的扭作用后的扭 轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)變形 彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù) 2 180 o b EI n M D 2 2 () 180 ( ) bb o b M lMD n rad EIEI M D EIn 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 例：例：設(shè)計一個有初應(yīng)力圓柱螺旋拉伸彈簧。數(shù)設(shè)計一個有初應(yīng)力圓柱螺旋拉伸彈簧。數(shù) 據(jù)如下：當彈簧變形量為據(jù)如下：當彈簧變形量為6.5mm6.5mm時，拉力時，拉力F F1 1 180N180N；變形量為；變形量為17mm17mm時，拉力時，拉力F Fmax max 340N340N； 并限制其最大外徑在并限制其最大外徑在16mm16m

9、m以下，自由高度在以下，自由高度在 100mm100mm以下。一般用途且并不經(jīng)常工作。以下。一般用途且并不經(jīng)常工作。 計算簡圖 第三節(jié) 螺旋彈簧的基本參數(shù)和設(shè)計 第四節(jié) 游絲 l種類：種類：測量游絲、測量游絲、 接觸游絲接觸游絲 l要求要求 7 7條：彈性特性合適、滯后和后效小、溫條：彈性特性合適、滯后和后效小、溫 度敏感性低、防磁和抗蝕性好、重心位置度敏感性低、防磁和抗蝕性好、重心位置 準、圈間距離相等、電阻系數(shù)小準、圈間距離相等、電阻系數(shù)小 測量游絲要求較高測量游絲要求較高 l材料：材料： 錫青銅（錫青銅（QSn4-3QSn4-3）、鈹青銅（）、鈹青銅（Qbe2Qbe2）、）、 恒彈性合金

10、（恒彈性合金（Ni42CrTiNi42CrTi）、不銹鋼、黃銅、）、不銹鋼、黃銅、 銅鋅鑷合金銅鋅鑷合金 l游絲的結(jié)構(gòu)游絲的結(jié)構(gòu)游絲端部的固定方法游絲端部的固定方法 l游絲的特性游絲的特性 3 12 a EIEbh M LL 第四節(jié) 游絲 l游絲的設(shè)計游絲的設(shè)計 標準游絲國家標準（標準游絲國家標準（GB12159-90GB12159-90） 非標準游絲非標準游絲設(shè)計與計算設(shè)計與計算 已知：已知：原始數(shù)據(jù)通常為最大（?。┯谓z原始數(shù)據(jù)通常為最大（?。┯谓z 力矩力矩M M2 2（M M1 1）和最大（小）游絲轉(zhuǎn)角）和最大（小）游絲轉(zhuǎn)角 2 2 （ 1 1），以及游絲的用途和安裝空間。），以及游絲的用

11、途和安裝空間。 求：求：游絲的寬度游絲的寬度b b、厚度、厚度h h、長度、長度L L（圈數(shù)（圈數(shù) n n）及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。）及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。 第四節(jié) 游絲 第五節(jié) 片簧 l片簧的分類片簧的分類 按其外形：直片簧按其外形：直片簧a a、彎片簧、彎片簧b b、c c l直片簧的結(jié)構(gòu)直片簧的結(jié)構(gòu) 第五節(jié) 片簧 雙螺釘固定雙螺釘固定 防轉(zhuǎn)防轉(zhuǎn) 結(jié)構(gòu)防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)防轉(zhuǎn) l直片簧的種類直片簧的種類 按截面形狀：等截面、變截面按截面形狀：等截面、變截面 按安裝情況：有初應(yīng)力片簧按安裝情況：有初應(yīng)力片簧a a 無初應(yīng)力片簧無初應(yīng)力片簧b b 第五節(jié) 片簧 第六節(jié) 熱雙金屬彈簧 l組成：組成：主動層、從動層主動層、

12、從動層 l應(yīng)用：應(yīng)用：溫度測量元件、溫度控制元件、溫度測量元件、溫度控制元件、 溫度補償元件溫度補償元件 材料：材料：主動層黃銅、錳主動層黃銅、錳 鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金 被動層鐵鎳合金被動層鐵鎳合金 帶雙金屬片的閉合觸點裝置帶雙金屬片的閉合觸點裝置 第七節(jié) 其它彈性元件簡介 l彈簧管彈簧管 壓力彈簧管壓力彈簧管彈簧管截面形狀彈簧管截面形狀 壓力壓力p 位移位移s l波紋管波紋管 第七節(jié) 其它彈性元件簡介 波紋管的應(yīng)用波紋管的應(yīng)用 第七節(jié) 其它彈性元件簡介 密封元件密封元件 導(dǎo)管撓性聯(lián)接元件導(dǎo)管撓性聯(lián)接元件 介質(zhì)分隔元件介質(zhì)分隔元件 l膜片、膜盒膜片、膜盒 a)a)平

13、膜片平膜片 b)b)波紋膜片波紋膜片 膜盒膜盒 第七節(jié) 其它彈性元件簡介 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 膜片膜片 End 彈性滯后現(xiàn)象 彈性后效現(xiàn)象 圓柱螺旋壓縮彈簧 特性線作用載荷與變形特性線作用載荷與變形 的關(guān)系的關(guān)系 等節(jié)距圓柱螺旋彈簧的特等節(jié)距圓柱螺旋彈簧的特 性線是一條直線。性線是一條直線。 最小載荷最小載荷 F F1 1(0.1(0.10.5)F0.5)Fmax max 最大載荷最大載荷F Fmax max由工作條件 由工作條件 決定，一般決定，一般F Fmax max 0.8F 0.8F3 3。 圓柱螺旋壓縮彈簧 強度計算強度計算 旋繞比旋繞比C C 彈簧絲直徑試算彈簧絲直徑

14、試算 2 2 cos/2 c sin/ si os 2 n b N Q TFD F M F F FD F max1 1.6/ T dFK C 圓柱螺旋壓縮彈簧 剛度計算剛度計算 彈簧的有效圈數(shù)彈簧的有效圈數(shù) 彈簧剛度彈簧剛度 3 8 Gd n FC 4 33 2 88 GdGd F D nC n 圓柱螺旋壓縮彈簧 穩(wěn)定性計算穩(wěn)定性計算 彈簧的失穩(wěn)彈簧的失穩(wěn) b bH H0 0/D/D2 2 穩(wěn)定性與彈簧兩端的穩(wěn)定性與彈簧兩端的 支承情況有關(guān)支承情況有關(guān) 不失穩(wěn)的條件不失穩(wěn)的條件 若若b b不滿足條件，進不滿足條件，進 行穩(wěn)定性計算行穩(wěn)定性計算 F Fmax maxF FC C max0 CB FFC F H 圓柱螺旋壓縮彈簧 不失穩(wěn)的條件：不失穩(wěn)的條件： 彈簧兩端固定彈簧兩端固定 b5.3b5.3 彈簧一端固定，另一端回轉(zhuǎn)彈簧一端固定，另一端回轉(zhuǎn) b3.7b3.7 彈簧兩端回轉(zhuǎn)彈簧兩端回轉(zhuǎn) b2.6bF FC C 1 1、改變、改變b b值，使其小值，使其小 于允許值；于允許值； 2 2、結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)定性：、結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)定性： a a）導(dǎo)桿）導(dǎo)桿 b b）導(dǎo)套）導(dǎo)套 圓柱螺旋壓縮彈簧 結(jié)構(gòu)尺寸的計算結(jié)構(gòu)尺寸的計算 死圈死圈 0.750.751.251.25圈圈 最大載荷下的間隙最大載荷下的間隙 0.1d0.1d 結(jié)構(gòu)尺寸計算結(jié)構(gòu)尺寸計算 表表13-313-3 圓