第十一章-彈簧設(shè)計(jì)

1、2. 彈簧的功用彈簧的功用吸振、緩沖吸振、緩沖完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存或釋放能量儲(chǔ)存或釋放能量測量力的裝置測量力的裝置3. 彈簧的材料彈簧的材料彈簧經(jīng)常受到交變和沖擊載荷彈簧經(jīng)常受到交變和沖擊載荷(1) 要求要求經(jīng)久不變的彈力經(jīng)久不變的彈力高的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度耐沖擊耐沖擊良好的塑性變形良好的塑性變形熱處理性能好熱處理性能好(2) 常用材料常用材料碳素彈簧鋼：碳素彈簧鋼：適于做小的或要求不高的彈簧適于做小的或要求不高的彈簧合金彈簧鋼；合金彈簧鋼；熱處理性能好、用于受載較大的彈簧熱處理性能好、用于受載較大的彈簧不銹鋼：不銹鋼：耐腐蝕耐腐蝕 按載荷性質(zhì)按載荷性質(zhì)彈簧分成三

2、類彈簧分成三類I 類：類：II 類：類：III 類：類：610N承受變載、沖擊承受變載、沖擊 作用次數(shù)作用次數(shù)531010N承受變載、沖擊承受變載、沖擊 作用次數(shù)作用次數(shù)310N承受變載或不太重要的彈簧承受變載或不太重要的彈簧 作用次數(shù)作用次數(shù)非金屬材料非金屬材料 (橡膠彈簧等橡膠彈簧等)二、圓柱螺旋拉、壓彈簧的設(shè)計(jì)二、圓柱螺旋拉、壓彈簧的設(shè)計(jì)1. 彈簧的結(jié)構(gòu)彈簧的結(jié)構(gòu)(1) 壓縮彈簧壓縮彈簧兩端面圈并緊磨平兩端面圈并緊磨平支承端面與軸線垂直支承端面與軸線垂直LI、LII型：型：兩端面圈并緊不磨平兩端面圈并緊不磨平(2) 拉伸彈簧拉伸彈簧LVII型：型：YI型：型：YIII型：型：掛鉤可轉(zhuǎn)任意

3、方向、用于受力較大場合掛鉤可轉(zhuǎn)任意方向、用于受力較大場合掛鉤過渡處彎曲應(yīng)力大、簧絲掛鉤過渡處彎曲應(yīng)力大、簧絲mmd10YI型型YIII型型LI型型LII型型LVII型型2. 彈簧的幾何尺寸彈簧的幾何尺寸簧絲直徑簧絲直徑d外徑外徑D內(nèi)徑內(nèi)徑1D中徑中徑2D節(jié)距節(jié)距p螺旋升角螺旋升角壓簧自由高度壓簧自由高度0H有效圈數(shù)有效圈數(shù)n總?cè)?shù)總?cè)?shù)1n拉簧長度拉簧長度0HdDC2彈簧指數(shù)彈簧指數(shù)衡量彈簧曲率重要參數(shù)衡量彈簧曲率重要參數(shù)C(2Dd或或)彈簧軟、易變形彈簧軟、易變形容易繞制容易繞制產(chǎn)生顫動(dòng)、不穩(wěn)定產(chǎn)生顫動(dòng)、不穩(wěn)定164C通常取通常取或按表選或按表選3. 彈簧的特性曲線彈簧的特性曲線(1) 壓縮

4、彈簧壓縮彈簧彈簧所受載荷與變形的關(guān)系曲線彈簧所受載荷與變形的關(guān)系曲線自由高度自由高度0H未受載未受載受受minF高度高度1H變形變形minminmax21HHhlimlimmaxmaxminminFFFkmaxF受受2H高度高度max變形變形limF受受limH高度高度lim變形變形產(chǎn)生的產(chǎn)生的產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到材料剪切彈性極限產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到材料剪切彈性極限工作行程工作行程彈簧剛度彈簧剛度(2) 拉伸彈簧拉伸彈簧自由高度自由高度0H未受載未受載受受minF高度高度1H變形變形minminmax12HHhlimlimmaxmaxminminFFFkmaxF受受2H高度高度max變形變形limF受受l

5、imH高度高度lim變形變形工作行程工作行程彈簧剛度彈簧剛度無初應(yīng)力的彈簧無初應(yīng)力的彈簧有初應(yīng)力的彈簧有初應(yīng)力的彈簧繞制時(shí)各圈間有一定的壓緊力，繞制時(shí)各圈間有一定的壓緊力，簧絲中產(chǎn)生一定的預(yù)緊力簧絲中產(chǎn)生一定的預(yù)緊力 F0 ，當(dāng)工作載荷大于當(dāng)工作載荷大于 F0 時(shí)，彈簧才能伸長時(shí)，彈簧才能伸長為產(chǎn)生假想變形量為產(chǎn)生假想變形量 x 的初拉力的初拉力 F0minmaxminmaxlimlimmaxmaxminmin0FFxFxFxFxFk彈簧剛度彈簧剛度limmin2 . 0 FFlimmax8 . 0 FFlim)8 . 02 . 0(h0minFF(3) F與與非線性關(guān)系時(shí)的特性曲線非線性關(guān)系

6、時(shí)的特性曲線kk22DD 上部：上部：dDC2小小k變形難變形難(大大)下部：下部：dDC2大大k變形易變形易 (小小)受載后，下部先壓緊，上部再壓縮受載后，下部先壓緊，上部再壓縮4. 彈簧的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈簧的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則滿足強(qiáng)度條件滿足強(qiáng)度條件 滿足剛度條件滿足剛度條件滿足穩(wěn)定性條件滿足穩(wěn)定性條件滿足強(qiáng)度條件滿足強(qiáng)度條件 滿足剛度條件滿足剛度條件拉簧拉簧壓簧壓簧強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件剛度條件剛度條件簧絲直徑簧絲直徑 d彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù) n 穩(wěn)定性驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算(1) 強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件彈簧剖面的應(yīng)力彈簧剖面的應(yīng)力疊加后剪切應(yīng)力最大值疊加后剪切應(yīng)力最大值考慮彈簧曲率及螺旋升角的影響最大剪切應(yīng)力考慮彈簧曲率及螺

7、旋升角的影響最大剪切應(yīng)力最大扭剪應(yīng)力最大扭剪應(yīng)力3232816/2/dFDdFDT剪切力剪切力F剪應(yīng)力剪應(yīng)力2244/dFdFF轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩22DFT KdFD32max8CCCK615. 04414)211 (8)21 (832232CdFDDddFDFT 在靠近彈簧在靠近彈簧軸線的一側(cè)軸線的一側(cè)max簧絲受扭是曲桿受扭簧絲受扭是曲桿受扭內(nèi)側(cè)單位長度扭轉(zhuǎn)變形大內(nèi)側(cè)單位長度扭轉(zhuǎn)變形大曲度系數(shù)曲度系數(shù)強(qiáng)度條件式強(qiáng)度條件式校核式：校核式：設(shè)計(jì)式；設(shè)計(jì)式；832maxmaxKdDF6 . 1maxCKFd (2) 剛度條件剛度條件外載外載 F 所做功所做功 彈簧儲(chǔ)存變形能彈簧儲(chǔ)存變形能TF2121由材料

8、力學(xué)知由材料力學(xué)知PIGlT轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩22DFT極慣性矩極慣性矩324dIP剪切彈性模量剪切彈性模量G受扭長度受扭長度nDl2GdnFCFT38nCGdFk38max3max388FCGdkCGdn彈簧變形量：彈簧變形量：彈簧剛度：彈簧剛度：計(jì)算工作圈數(shù)：計(jì)算工作圈數(shù)：Ckk 應(yīng)圓整為應(yīng)圓整為0.5的整數(shù)倍的整數(shù)倍且大于且大于2nn(3) 穩(wěn)定性條件穩(wěn)定性條件 (對壓縮彈簧對壓縮彈簧)兩端固定兩端固定 b5.3一端固定一端自由一端固定一端自由 b3.7兩端自由兩端自由 b2.6未滿足上述要求，則需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算未滿足上述要求，則需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算臨界載荷臨界載荷不穩(wěn)定系數(shù)不穩(wěn)定系數(shù)高徑比高徑比

9、20DHb0maxkHCFFBC20DHb BC5. 彈簧的設(shè)計(jì)步驟彈簧的設(shè)計(jì)步驟(1) 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求已知：已知：尺寸限制和工況尺寸限制和工況設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：其他尺寸其他尺寸繪制工作圖繪制工作圖最大工作載荷最大工作載荷maxF最小工作載荷最小工作載荷minF工作行程工作行程h簧絲直徑簧絲直徑d工作圈數(shù)工作圈數(shù)n具體做法具體做法由強(qiáng)度條件確定簧絲直徑由強(qiáng)度條件確定簧絲直徑d6 . 1maxCKFd 選選CK預(yù)選預(yù)選2DCDd2b比較比較和和dd由剛度條件確定彈簧工作圈數(shù)由剛度條件確定彈簧工作圈數(shù)nn一般一般為為0.5的整數(shù)倍，且大于的整數(shù)倍，且大于2max3max8FCGdn壓縮彈簧的穩(wěn)定性驗(yàn)算

10、壓縮彈簧的穩(wěn)定性驗(yàn)算(2) 實(shí)例實(shí)例1) 初選初選 C初選彈簧指數(shù)初選彈簧指數(shù) C 7 5.2 6設(shè)計(jì)壓簧，設(shè)計(jì)壓簧，II類方式工作，端部并緊磨平類方式工作，端部并緊磨平mmDmmhNFNF2810500200maxmin初選簧絲直徑初選簧絲直徑 d 28/ )(DddDC 3.5 4.5 4 碳素彈簧鋼絲碳素彈簧鋼絲 C級級 1570 1520 1520選簧絲抗拉強(qiáng)度選簧絲抗拉強(qiáng)度 b許用剪切應(yīng)力許用剪切應(yīng)力b4 . 0 628 608 608曲度系數(shù)曲度系數(shù) KCCCK/615. 0)44/() 14(1.21 1.3 1.25計(jì)算簧絲直徑計(jì)算簧絲直徑d/6 . 1maxCKFd 4.15

11、 3.77 3.97不符不符 取取4.5 取取4設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 方案方案 1 方案方案 2 方案方案 32) 計(jì)算計(jì)算 n變形量變形量max)/(minmaxmaxmaxFFhF16.7 16.7剪切模量剪切模量 G 79000 79000 有效圈數(shù)有效圈數(shù) n)8/(3maxmaxCFdGn 10.55 6.1圓整圓整 11 圓整圓整 6.53) 實(shí)際變形量實(shí)際變形量實(shí)際變形量實(shí)際變形量max)/(83maxmaxGdCnF17.4 17.44實(shí)際變形量實(shí)際變形量minhmaxmin 7.4 7.44實(shí)際最小載荷實(shí)際最小載荷minF3minmin8/ nCGdF212.6

12、 218.6 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 方案方案 2 方案方案 3總?cè)?shù)總?cè)?shù) n1)5 . 22(1 nn13 8.54) 其他幾何尺寸其他幾何尺寸彈簧外徑彈簧外徑 DdCdD27.9 28取取取取其中其中最小節(jié)距最小節(jié)距 p1max/ndpd1 . 01d1 . 01d1 . 016.53 7.13自由高度自由高度 H 0dnpH5 . 1078.58 52.35)/(2Dptgarc0095無載時(shí)螺旋無載時(shí)螺旋升角升角且且5.08 5.085) 穩(wěn)定性驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算計(jì)算 bDHb/0兩端固定時(shí)兩端固定時(shí) b5.3 3.36 2.18 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 方案

13、方案 2 方案方案 3三、其它彈簧簡介三、其它彈簧簡介1. 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧扭矩扭矩T與扭轉(zhuǎn)角與扭轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系為線性關(guān)系設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法與圓柱螺旋拉、壓彈簧相似與圓柱螺旋拉、壓彈簧相似強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件變形條件變形條件簧絲直徑簧絲直徑 d彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù) n 2. 碟形彈簧碟形彈簧剛度很大的壓縮彈簧剛度很大的壓縮彈簧受軸向載荷受軸向載荷錐角錐角 減小減小產(chǎn)生軸向變形產(chǎn)生軸向變形U 為彈簧所吸收的變形能為彈簧所吸收的變形能卸載過程與加載過程重合卸載過程與加載過程重合吸收的能量全部釋放吸收的能量全部釋放加載近似為直線加載近似為直線OA卸載為曲線卸載為曲線OBA陰影面積為摩擦耗能陰影面積為摩擦耗能0UU OAC面積為吸收的變形能面積為吸收的變形能UU0吸振能力吸振能力3. 環(huán)形彈簧環(huán)形彈簧受軸向載荷受軸向載荷內(nèi)環(huán)直徑減小內(nèi)環(huán)直徑減小外環(huán)直徑增大外環(huán)直徑增大彈簧壓縮彈簧壓縮剛度相當(dāng)大的壓縮彈簧剛度相當(dāng)大的壓縮彈簧卸載開始的卸載開始的AB段為直線，彈性內(nèi)力段為