ChapterDesignofSprings講解PPT教學課件

1、120.1 Types and Functions of Springs 彈簧的類型及功用20.1.1 Classification of Springs 彈簧的分類螺旋彈簧(helical spring) 碟形彈簧(coned-disk spring or Belleville spring)，環(huán)形彈簧(ring spring)板簧(plate or flat spring, cantilever懸臂 spring or leaf spring)渦卷形彈簧(spiral spring)按所承受載荷性質(zhì)拉伸彈簧(tension spring) 壓縮彈簧(compression spring)扭

2、轉(zhuǎn)彈簧(torsion spring)彎曲彈簧(bending spring) 按彈簧形狀A spring is a flexible element used to exert a force or a torque and, at the same time, to store energy.第1頁/共60頁2表20.1 金屬彈簧的基本型式第2頁/共60頁3第3頁/共60頁4第4頁/共60頁5第5頁/共60頁6第6頁/共60頁7第7頁/共60頁8第8頁/共60頁9(螺旋彈簧)用彈簧絲卷繞制成；制造簡便，價格較低，易于檢測和安裝，應用最廣?？梢灾瞥陕菪鞆椈?helical tension

3、 spring)螺旋壓縮彈簧(helical compression spring)螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧(helical torsion spring) 第9頁/共60頁10Constant pitch (cylindrical), Conical, Barrel, Hourglass, Variable pitchRight hand，Left hand ConicalConstant pitchBarrelHourglass第10頁/共60頁11彈簧絲的形狀)round wire, rectangular wire第11頁/共60頁12（碟形彈簧） 可以承受很大的沖擊載荷，具有良好的吸振能力，常用

4、作緩沖減振彈簧。在載荷相當大和彈簧軸向尺寸受限制的地方，可以采用碟形彈簧。第12頁/共60頁13(環(huán)形彈簧)是目前減振緩沖能力最強的彈簧，常用作近代重型機車、鍛壓設備和飛機起落裝置中的緩沖零件。第13頁/共60頁14(渦卷形彈簧)具有較多的圈數(shù)、變形較大、儲存能量也較大的特點，多用于壓緊及儀表、鐘表的動力裝置。Flat Springs(板簧)能承受較大的彎曲作用，常用于受載方向尺寸有限制而變形量又較大的場合。由于板彈簧有較好的消振能力，所以在汽車、拖拉機和鐵路車輛的懸掛裝置中均普遍使用這種彈簧。第14頁/共60頁1520.1.2 Functions of Springs 彈簧的功用(1) 控制

5、機械的運動(2) 吸收振動和沖擊能量如內(nèi)燃機中控制氣缸閥門啟閉的彈簧、離合器中的控制彈簧；如各種車輛中的減振彈簧及各種緩沖器的彈簧等；第15頁/共60頁16(3) 存儲和釋放能量(4) 測量力的大小例如鐘表彈簧、槍栓彈簧等；如彈簧秤和測力器中的彈簧等。測力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手測力矩扳手定力矩扳手測力矩扳手第16頁/共60頁1720.2 Materials and Manufacture of Springs 彈簧的材料和制造材料要求除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。主要彈簧材料及其使用性能表20.2 實踐中應

6、用最廣泛的材料彈簧鋼，其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限, 表20.3 20.2.1 Spring Materials 彈簧材料第17頁/共60頁1871057057045534065Mn B、C、D級206800.8B(0.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素彈簧鋼絲B、C、D級鋼絲類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧彈性模量E/GPa切變模量G/GPa許用彎曲應力b/MPa許用切應力T/ MPa代 號類別1)按受力循環(huán)次數(shù)N不同，彈簧分為三類：類N106；類N=103105以及受沖擊載荷的場合；類N8mm)。在熱態(tài)下

7、卷制的彈簧，卷成后必須進行淬火、中溫回火等處理。第22頁/共60頁23彈簧的疲勞強度與抗沖擊強度在很大的程度上取決于彈簧的表面狀況，所以，彈簧絲(spring wire)表面必須光潔，沒有裂縫和傷痕等缺陷。表面脫碳會嚴重影響材料的疲勞強度和抗沖擊性能，因此，脫碳層深度和其他表面缺陷都須在驗收彈簧的技術(shù)條件中詳細規(guī)定。對于重要的彈簧，還要進行工藝檢驗和沖擊疲勞等試驗。第23頁/共60頁24為提高彈簧的承載能力，可將彈簧在超過工作極限載荷下進行強壓處理(受載648h)，以便在簧絲內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和有益的殘余應力，由于殘余應力的符號與工作應力相反，因而彈簧在工作時的最大應力比未經(jīng)強壓處理的彈簧小。一般

8、經(jīng)過一次強壓處理的彈簧可提高其承載能力約25%；若經(jīng)噴丸處理可提高20%。須注意，強壓處理是彈簧制造的最后一道工序。為了保持有益的殘余應力，強壓處理后不應作其它熱處理。而且經(jīng)強壓處理的彈簧也不宜工作在較高溫度（150450C）、長期振動和有腐蝕性介質(zhì)的場合。 第24頁/共60頁2520.3 Working Principle of Springs 彈簧的工作原理表征彈簧載荷與其變形之間關(guān)系的曲線載荷指壓力或拉力，變形是指彈簧壓縮量或伸長量；載荷是指扭矩，變形是指扭角。20.3.1 Characteristic Curve of a Spring 彈簧特性曲線第25頁/共60頁26彈簧的特性曲線

9、應繪制在彈簧的工作圖上，作為檢驗與試驗的依據(jù)之一。同時還可在設計彈簧時，利用特性曲線進行載荷與變形關(guān)系的分析。 按照結(jié)構(gòu)型式不同，常見的彈簧特性曲線有四種。第26頁/共60頁2720.3.2 Stiffness of Springs 彈簧剛度彈簧剛度(, ) 是指使彈簧產(chǎn)生單位變形的載荷，用k和kT分別表示拉(壓)彈簧的剛度與扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度。對于拉壓彈簧 ddFk 對于扭轉(zhuǎn)彈簧 ddTkT 實際上彈簧剛度就是彈簧特性曲線上某點的斜率。第27頁/共60頁28直線型彈簧剛度為一常數(shù)。特性曲線越陡，彈簧剛度相應愈大，即彈簧愈硬；反之則愈軟。剛度漸增型彈簧隨變形量的增大其剛度越大。如車輛緩沖減振彈簧，

10、希望在車輛重載與輕載時，均具有差不多的自振頻率；且在最大或沖擊載荷作用時，仍具有較好的緩沖減振性能，故多使用彈簧特性曲線具有該型曲線的走向。第28頁/共60頁29彈簧可以按剛度分為定剛度彈簧（直線型特性線）和變剛度彈簧（曲線或折線型特性線），受動載荷或沖擊載荷作用的彈簧往往設計成變剛度彈簧。 剛度漸減型彈簧剛度隨變形的增大而越小。為了在沖擊動能一定時，獲得較小沖擊力，則應使用具有剛度漸減型特性曲線的彈簧為宜。第29頁/共60頁3020.4 Design for Cylindrical Helical Compression and Tension Springs 圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設計2

11、0.4.1 Parameters and Geometric Dimensions of a Cylindrical Spring 圓柱彈簧的參數(shù)及幾何尺寸 圓柱彈簧的主要尺寸DD2dtH0D1DD2dtH0D1彈簧絲直徑(wire dia.), d彈簧圈外徑(outside dia.), D彈簧圈內(nèi)徑(inside dia.), D1彈簧圈中徑(mean dia.), D2節(jié)距(pitch), t螺旋升角(pitch angle), 自由長度(free length), H0第30頁/共60頁31(或稱), C=D2/d 是最重要的參數(shù)之一。彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應

12、力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。常用彈簧指數(shù)的選取參見表20.4。CdD 2 dCdDD121 dCdDD12 彈簧絲直徑彈簧絲直徑d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846彈簧的中徑、內(nèi)徑和外徑可用彈簧指數(shù)C表示：第31頁/共60頁32(1) Plain ends coiled right-hand. Plain end, right hand. Both ends plain. The ends are the same as if a long spring had been cut into sections.第32頁/共6

13、0頁33Plain ends ground.Both ends plain.Squared or closed ends, not ground. (端部并緊不磨平)Both ends squared.第33頁/共60頁34Both ends squared and ground.The end turns are squared and then ground perpendicular to the helix axis. Both ends plain.第34頁/共60頁35彈簧圈數(shù)(number of coils)彈簧兩端與彈簧座相接觸的部分，不參加彈簧變形，其。, 兩端死圈各有，具體

14、與端部形式有關(guān)，一般。第35頁/共60頁36兩種常用端部形式GB(Both ends closed and ground)(closed ends, not ground)重要場合應采用并緊磨平端。死圈的磨平長度應不小于1/4圈，。第36頁/共60頁37 彈簧工作圈數(shù)有效圈數(shù)(number of active coils)為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常彈簧的有效圈數(shù)。 彈簧總?cè)?shù)(total number of coils) 總?cè)?shù)的宜取1/4、。)25. 175. 0(220 nnnn與間的關(guān)系與端部形式有關(guān) 第37頁/共60頁38DD2dtH0D1彈簧節(jié)距(pitch) 按下式取 ndt

15、max max彈簧的最大變形量；最大變形時相鄰兩彈簧絲間的最小距離，一般不小于0.1d。彈簧鋼絲間距(coil clearance or space between adjacent coils) dt 第38頁/共60頁39DD2dtH0D1彈簧的() dnntdnnntdnnH)5 . 02()5 . 0(5 . 0000 dnntdnnntdnnH)12()1(1000 Both ends closed and ground兩端并緊磨平Closed ends, not ground兩端并緊不磨平彈簧螺旋升角() 21tanDt 通常取=59 cos02nDL 第39頁/共60頁40第40

16、頁/共60頁41第41頁/共60頁42dt Pitch hooks of dim Length Free0 ndHDD2dtH0D1n20時，一般圓整為整圈數(shù)；nFcr，應重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。若受結(jié)構(gòu)限制而不能改變參數(shù)時，就應該加裝，以免彈簧受載時產(chǎn)生側(cè)向彎曲。為了防止彈簧工作時簧絲與導桿或?qū)桩a(chǎn)生摩擦，。 第50頁/共60頁5120.5 Fatigue Strength Checking Computation of Springs with Fluctuating Loads 受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算1. 對于循環(huán)次

17、數(shù)較多、工作在變應力下的重要彈簧，還應該進一步對進行驗算。2. 如果變應力的N103，或不大時，應進行驗算。3. 如果上述兩種情況不能明確區(qū)分時，則應同時進行這兩種強度的驗算。 第51頁/共60頁52 設計一圓柱螺旋壓縮彈簧。已知：彈簧外徑D15mm，工作時最大載荷為220N，最小載荷為150N，要求彈簧工作行程為5mm，類彈簧，兩端固定支承。(1) 選擇彈簧材料及許用應力Solution因本彈簧在一般載荷下工作，按來考慮，選擇。初估彈簧絲直徑為mm左右。查表20.2和表20.3可知，T=0.5B，B=1660MPa。 71057057045534065Mn B、C、D級206800.8B(0

18、.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素彈簧鋼絲B、C、D級鋼絲類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧彈性模量E/GPa切變模量G/GPa許用彎曲應力b/MPa許用切應力T/ MPa代 號類別MPa83016675 . 05 . 0 BT 1810166014202.2DCB級別鋼絲直徑d/mm第52頁/共60頁53(2) 計算彈簧絲直徑 按表20.4選取 彈簧絲直徑彈簧絲直徑d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846279. 145 . 5415 . 545 . 5615. 04414615. 0 CCCKmm18.

19、 25 .8335 . 5279. 12206 . 16 . 1max TKCFd 與初估彈簧絲直徑相近，故取標準值 d=2.2mm。mm1 .122 . 25 . 52 CdDmm15mm3 .142 . 21 .122 dDD符合題意要求。第53頁/共60頁54(3) 計算彈簧的有效工作圈數(shù) 查表20.2得G=80000MPa 445. 91502201 .12852 . 280000834324 FDGdn 取彈簧工作圈數(shù)為圈。(4) 驗算載荷與變形 mm3 .112 . 280000101 .121508843432minmin GdnDF mm6 .162 . 280000101 .122208843432maxmax GdnDF mm3 . 53 .116 .16minmax0 實際工作行程 第54頁/共60頁55表20.2附注， 類彈簧lim1.12T。取 MPa6 .92983012. 112. 1lim T (4) 驗算載荷與變形 計算極限載荷 N2515 . 5279. 182 . 214. 36 .92982lim2lim KCdF 與之對應的變形量為mm192 . 280000101 .122518