機(jī)械設(shè)計(jì),彈簧

1、第十五章第十五章 彈簧彈簧 15-1 概述15-2 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、材料、許用應(yīng)力及制造15-3 圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算15-4 受變載荷圓柱螺旋彈簧的強(qiáng)度計(jì)算15-115-1概述概述15-1 概 述一、彈簧的功用一、彈簧的功用彈簧：一種彈性的元件，它具有剛度小、變形大、在載荷作用下易產(chǎn)生較大彈性變形等特點(diǎn)，在各類機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛。二、彈簧的分類二、彈簧的分類按彈簧承受的載荷分：拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧彎曲彈簧按彈簧的形狀分：螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞制成的，由于制造簡(jiǎn)便，所以應(yīng)用最廣。在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。 彈簧的主要功用有：控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、緩沖和減振、儲(chǔ)存能量、測(cè)力以及改

2、變機(jī)器的自振頻率等。螺旋彈簧碟形彈簧板簧盤簧等環(huán)形彈簧（詳見表151）三、三、彈簧特性線和剛度彈簧特性線和剛度彈簧特性線：是表示彈簧載荷和變形之間關(guān)系的曲線。概述2 2彈簧剛度：彈簧產(chǎn)生單位變性所需要的載荷。在數(shù)值上，彈簧剛度等于彈簧特性線上某點(diǎn)的斜率。 彈簧特性線有：直線型、剛度漸增型、剛度漸減型或幾種的組合。概 述ddFc彈簧剛度式中：F彈簧所受的載荷（N）；彈簧的變性量（mm）。 直線型特性線彈簧具有不變的剛度；非直線性特性線彈簧具有變剛度，稱為變剛度彈簧。四、彈簧變性能四、彈簧變性能彈簧變性能：是指彈簧變形后所儲(chǔ)存的能量。概述2 2 如加載曲線與卸載曲線不重合，則兩者圍成的面積，表示在

3、彈簧變形過程中，因摩擦消耗的能量。摩擦消耗的能量越大，則彈簧的吸振能力越強(qiáng)。概 述15-215-2圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材料制造料制造1 115-2 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、材料、許用應(yīng)力及制造一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋壓縮彈簧 圓柱螺旋拉伸彈簧詳細(xì)介紹詳細(xì)介紹螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材料材料制造制造2 2圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、材料、許用應(yīng)力及制造二、彈簧的材料及許用應(yīng)力二、彈簧的材料及許用應(yīng)力為了使彈簧能夠?yàn)榱耸箯椈赡軌蚩煽康毓ぷ骺煽康毓ぷ鳎瑥椈刹牧媳仨毦哂?，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極高的彈性極限和疲勞極限限，同時(shí)應(yīng)具有同時(shí)應(yīng)具有足夠的韌性和

4、塑性足夠的韌性和塑性，以及良好的，以及良好的可熱處理性可熱處理性。選擇彈簧材料時(shí)，應(yīng)考慮其用途、使用條件選擇彈簧材料時(shí)，應(yīng)考慮其用途、使用條件( (載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性、工作持續(xù)時(shí)間、工作溫度等性、工作持續(xù)時(shí)間、工作溫度等) )以及加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素。以及加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素。1 1）碳素彈簧鋼）碳素彈簧鋼( (如如6565、7070鋼鋼) )：價(jià)格便宜，但彈性極限低；價(jià)格便宜，但彈性極限低；低錳彈簧鋼低錳彈簧鋼( (如如65Mn)65Mn)：淬透性好、強(qiáng)度較高，淬火后易產(chǎn)生裂紋；淬透性好、強(qiáng)度較高，淬火后易產(chǎn)生裂紋；硅錳彈簧鋼硅錳彈簧鋼( (如如60S

5、i2MnA)60Si2MnA)：彈性極限高，回火穩(wěn)定性好；：彈性極限高，回火穩(wěn)定性好；鉻釩鋼鉻釩鋼( (如如50CrVA)50CrVA)：耐疲勞和抗沖擊性能好，價(jià)格貴，用于要求高的耐疲勞和抗沖擊性能好，價(jià)格貴，用于要求高的 場(chǎng)合。場(chǎng)合。2 2）合金彈簧鋼）合金彈簧鋼3 3）特殊鋼、銅合金和非金屬材料等）特殊鋼、銅合金和非金屬材料等（詳見表（詳見表15152 2）三、圓柱螺旋彈簧的制造三、圓柱螺旋彈簧的制造卷制卷制掛鉤的制作或端面圈的精加工掛鉤的制作或端面圈的精加工熱處理熱處理工藝試驗(yàn)及強(qiáng)壓處理。工藝試驗(yàn)及強(qiáng)壓處理。 螺旋彈簧的螺旋彈簧的制造工藝制造工藝包括：包括：圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、材料、許用

6、應(yīng)力及制造 彈簧彈簧材料的材料的許用應(yīng)力許用應(yīng)力與彈簧的類型、材料的力學(xué)性能、簧絲直徑和載荷與彈簧的類型、材料的力學(xué)性能、簧絲直徑和載荷性質(zhì)等有關(guān)，性質(zhì)等有關(guān)，見表見表15152 2。卷制分為：卷制分為：冷卷冷卷：用于簧絲直徑：用于簧絲直徑 d d8 810mm10mm的彈簧。的彈簧。熱卷熱卷：卷成后必須進(jìn)行淬火、中溫回火等處理。：卷成后必須進(jìn)行淬火、中溫回火等處理。強(qiáng)壓處理強(qiáng)壓處理可以可以提高提高彈簧的彈簧的承載能力承載能力。螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)材料材料制造制造3 315-315-3圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算1 1一、幾何參數(shù)計(jì)算一、幾何參數(shù)計(jì)算15-3 圓柱螺旋彈

7、簧的設(shè)計(jì)計(jì)算普通圓柱螺旋彈普通圓柱螺旋彈簧的主要幾何尺寸有：簧的主要幾何尺寸有：壓縮彈簧壓縮彈簧拉伸彈簧拉伸彈簧 外徑外徑 D D 中徑中徑 DD2 2內(nèi)徑內(nèi)徑 DD1 1節(jié)距節(jié)距 t t螺旋升角螺旋升角 彈簧絲直徑彈簧絲直徑 d d有效圈數(shù)有效圈數(shù) n總?cè)?shù)總?cè)?shù) n1自由高度或長(zhǎng)度自由高度或長(zhǎng)度 H0 0 旋繞比旋繞比 CD2/d圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算2 2圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算二、圓柱螺旋彈簧的承載過程二、圓柱螺旋彈簧的承載過程 在彈簧的工作圖中，應(yīng)繪制彈簧特性線描述彈簧的承載過程。拉伸彈簧特性線壓縮彈簧特性線 圓柱螺旋彈簧的幾何尺寸公式見表156。Fmin安裝時(shí)彈簧所受的力，

8、稱為彈簧的最小載荷。Fmax工作中彈簧所受的最大工作載荷 。Fj 使簧絲內(nèi)應(yīng)力達(dá)到彈性極限的載荷，稱為彈簧的極限載荷。 Fmin、Fmax 、Fj 作用下彈簧的高度或長(zhǎng)度分別用H1、H2、H3表示。相應(yīng)的變形量分別用min、max、j 表示。顯然有jjFFFmaxmaxminmin通常，取 Fmin=（0.10.5）Fmax； 取 Fmax 0.8Fj 。 圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算3 3cDdF2308圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算三、強(qiáng)度計(jì)算三、強(qiáng)度計(jì)算 圓柱螺旋彈簧受壓或受拉時(shí)，圓柱螺旋彈簧受壓或受拉時(shí)，彈簧絲的截面上主要受到橫向剪力彈簧絲的截面上主要受到橫向剪力F 和扭矩和扭矩T=FD2

9、 / 2。下面以壓縮彈。下面以壓縮彈簧承受軸向載荷的情況進(jìn)行分析。簧承受軸向載荷的情況進(jìn)行分析。D/2FFT=FD2d 1. 1. 彈簧的彈簧的受力分析受力分析 有初扭應(yīng)力的拉伸彈簧的初扭應(yīng)力 c 見圖156。初拉力F0由下式計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算4 4232maxd88FCKdFDK圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 2. 彈簧絲的彈簧絲的應(yīng)力分析應(yīng)力分析 由于螺旋彈簧的簧絲是曲桿，受軸向載荷 F 作用時(shí)，將在簧絲內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大切應(yīng)力。CCCK615. 04414式中：K曲度系數(shù) ；C旋繞比，見表157。圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算5 5 CKFdmax6 . 1 32maxmax8dD

10、FK圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算3. 強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算 強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)式：四、剛度計(jì)算四、剛度計(jì)算 圓截面簧絲螺旋彈簧在軸向載荷 F 作用下，所產(chǎn)生的變形量為：GdnFCGdnFD343288GdnCF3maxmax8最大工作載荷 Fmax 作用下的變形量max：壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉簧：圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算6 6nCGdFc38圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算GdnCFF30maxmax)(8有初應(yīng)力的拉簧：彈簧的有效圈數(shù) n：3maxmax8CFGdn壓縮彈簧和無初應(yīng)力的拉簧：30maxmax)(8CFFGdn有初應(yīng)力的拉簧：彈簧的剛度 c：五、穩(wěn)定性計(jì)算五、穩(wěn)定性計(jì)算 如果螺旋壓縮彈簧的高度

11、過大，在軸向載荷 F 作用下，可能會(huì)產(chǎn)生側(cè)彎失穩(wěn)。圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算7 7圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 為避免失穩(wěn)，應(yīng)按表158選擇高徑比 b=H0/D2 。 如高徑比超出表158所列范圍，必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。應(yīng)滿足的條件為：max05 . 22(FcHCFbc）式中：Fc不失穩(wěn)的臨界載荷（N)；Cb不穩(wěn)定系數(shù)，見圖1510。圓柱螺旋彈簧計(jì)算圓柱螺旋彈簧計(jì)算8 8圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算六、設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖六、設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖15-415-4受變載荷螺旋彈簧的計(jì)算螺旋彈簧的計(jì)算1 1 SSmaxmin075. 02minmin8dKCF15-4 受變載荷螺旋彈簧的強(qiáng)度計(jì)算一、疲勞強(qiáng)度計(jì)算一、

12、疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、靜強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)算二、靜強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)算 應(yīng)滿足的條件為：2maxmax8dKCF式中：min 、 max 分別為彈簧的最小切應(yīng)力和最大切應(yīng)力（MPa)；0 為彈簧材料的脈動(dòng)剪切疲勞極限（MPa)。見表159 ssSSmax 應(yīng)滿足的條件為：式中：s為彈簧材料的剪切屈服點(diǎn)（MPa)。見表152受變載荷螺旋彈簧的計(jì)算螺旋彈簧的計(jì)算2 2三、振動(dòng)驗(yàn)算三、振動(dòng)驗(yàn)算gff)2010( 應(yīng)滿足的條件為：式中： fg為彈簧的工作頻率（Nz)； f為彈簧基本自激振動(dòng)固有頻率（Nz)。mcf21式中： c為彈簧剛度（Nm)； m為彈簧質(zhì)量（kg)； 受變載荷螺旋彈簧的強(qiáng)度計(jì)算四、圓柱螺旋壓縮（

13、拉伸）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算四、圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)方法和步驟: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料；2) 選擇旋繞比C，通常可取C 5 8，并算出補(bǔ)償系數(shù)K值；3) 根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲 的許用應(yīng)力；4) 試算彈簧絲直徑d5) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧對(duì)于壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧6) 檢查D2、D1、H0是否符合安裝要求等;7) 驗(yàn)算： KCFdmax6 . 1max30max)(8CFFGdnmax3max8CFGdn 受變載荷螺旋彈簧螺旋彈簧的計(jì)算的計(jì)算3 3強(qiáng)度驗(yàn)算振動(dòng)驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算受變載荷螺旋彈簧

14、的強(qiáng)度計(jì)算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算1 1圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)及特性曲線一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)及特性曲線二、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧受載時(shí)的應(yīng)力及變形扭轉(zhuǎn)彈簧主要用于壓緊、儲(chǔ)能或傳遞扭矩。1圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)2圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的特性曲線minmaxlimTTlimTmaxTmin圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧工作時(shí)，彈簧絲主要承受彎曲應(yīng)力作用。應(yīng)力與變形分析圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧計(jì)算2 2圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)方法和步驟: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料及許用應(yīng)力；2) 選擇旋繞比C，并算出補(bǔ)償系數(shù) K1值； 3)試算彈簧絲直徑dbTKd1 . 0max14) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：TDEIn1805）計(jì)算