第十五章 彈性元件

1、第十五章第十五章 彈性元件彈性元件 Elastic element151 彈簧的功用和類型彈簧的功用和類型 一、彈簧的功用一、彈簧的功用1）控制機構(gòu)的運動和零件的位置；2）緩沖及吸振；3）儲存能量；4）測量力的大小 二、彈簧的類型二、彈簧的類型螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、蝸卷彈簧、板彈簧螺旋彈簧 用金屬絲按螺旋線卷繞而成，制造簡便，應(yīng)用最廣按形狀分圓柱形圓錐形按受載情況分拉伸彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧壓縮彈簧環(huán)形彈簧、碟形彈簧壓縮彈簧 在工作過程中，一部分能量消耗在各圈之間的摩擦上，因此具有很高的緩沖吸振能力，多用于重型機械的緩沖裝置。平面蝸卷彈簧盤簧軸向尺寸很小，常用作儀器和鐘表的儲能裝置。板彈簧由許多

2、長度不同的鋼板疊合而成，主要用于車輛的減振裝置。152 圓柱拉伸、壓縮螺旋彈簧的應(yīng)力與變形圓柱拉伸、壓縮螺旋彈簧的應(yīng)力與變形 一、彈簧的應(yīng)力一、彈簧的應(yīng)力軸向力F作用在彈簧的軸線上，彈簧絲為圓截面，直徑為d。 彈簧中徑為D2，螺旋升角為。一般，彈簧的螺旋升角很?。?9），可認為通過彈簧軸線的截面彈簧絲的法截面。由力的平衡，此截面上作用著剪力F合扭矩TFD2/2 若不考慮彈簧絲的彎曲，按直桿計算。扭矩T在截面上引起的最大扭切應(yīng)力為32328162dFDdDFZTp若剪力引起的切應(yīng)力為均勻分布，則切應(yīng)力為24dF 彈簧絲截面上的最大切應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)，即靠近彈簧軸線的一側(cè)，其值為)21 (84823

3、2232DddFDdFdFD 令CD2/d)5 . 01 (8)21 (832232CdFDDddFD旋繞比旋繞比彈簧絲截面內(nèi)側(cè)的精確最大切應(yīng)力及強度條件為28dFCKK曲度系數(shù)CCCK615. 04414二、彈簧的變形二、彈簧的變形 在軸向載荷作用下，彈簧的軸向變形量為y。取微段彈簧絲，當彈簧螺旋升角很小時，可認為半徑OC1、OC2和微段彈簧絲的軸線ds在同一平面內(nèi)。微段ds受扭矩T后，兩端截面相對扭轉(zhuǎn)了d角，于是半徑OC2也對半徑OC1扭轉(zhuǎn)了一個角度d ，使點O移到O ，從而使彈簧產(chǎn)生相應(yīng)的軸向變形。42222822dGdsFDGITdsDdDydyp積分lldsdGFDdyy042208

4、lD2nnGdFCnGdFDy343288使彈簧產(chǎn)生單位變形量所需的載荷彈簧剛度knCGdnDGdyFk332488153 彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力 一、彈簧的制造一、彈簧的制造卷繞壓簧拉簧、扭簧熱處理工藝試驗冷卷熱卷在常溫下卷成，低溫回火在高溫下卷成，淬火回火強壓處理強壓處理 將彈簧預先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持一定時間后卸載，使簧絲表面層產(chǎn)生與工作應(yīng)力方向相反的殘余應(yīng)力，受載時可抵消一部分工作應(yīng)力。提高承載能力 強壓處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是不穩(wěn)定的，因此不宜在高溫、變載荷及有腐蝕性介質(zhì)的條件下應(yīng)用。噴丸處理噴丸處理二、彈簧的材料二、彈簧的材料彈簧常承受具有沖擊

5、性的變載荷。高彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、塑性、良好的熱處理性高彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、塑性、良好的熱處理性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含碳量為0.60.9 價廉易得，熱處理后有較高的強度，適宜的韌性和塑性，但當彈簧絲直徑大于12mm時，不易淬透，僅適用于做小尺寸的彈簧。適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高的場合。硅錳鋼、鉻釩鋼適用于潮濕、酸性或其他腐蝕性介質(zhì)的場合。硅青銅、錫青銅優(yōu)先采用優(yōu)先采用三、彈簧的許用應(yīng)力三、彈簧的許用應(yīng)力類類受變載荷作用次數(shù)在106次以上或很重要的彈簧類類受變載荷作用次數(shù)在103105次及受沖擊載荷的彈簧類

6、類受變載荷作用次數(shù)在103次以下，基本上受靜載荷的彈簧154 圓柱拉伸、壓縮螺旋彈簧的設(shè)計圓柱拉伸、壓縮螺旋彈簧的設(shè)計 一、彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸一、彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸 壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈均留有一定的間距，以備受載時變形。 通常，彈簧兩端各有 1 圈并緊，使彈簧站得平直。工作時這幾圈不參與變形支撐圈（死圈） 支撐圈的磨平長度應(yīng)不小于3/4圈，末端厚度應(yīng)接近于d/4。有支撐圈的彈簧，其總?cè)?shù)n1n（1.52.5）。20.8tdyn節(jié)距 間距 最大工作載荷最大工作載荷F2下的彈簧變形量下的彈簧變形量3144 221arctgcostDD nL螺旋升角 簧絲展開長度 0101H(1)H(0.5)Hnnd

7、Hnnd00兩端并緊不磨平的自由高度 兩端并緊磨平的自由高度 為保證壓縮彈簧的穩(wěn)定性，彈簧的高徑比bH0/D2不應(yīng)超多許用值。否則彈簧可能產(chǎn)生側(cè)彎現(xiàn)象。為避免彈簧失穩(wěn)，應(yīng)在彈簧內(nèi)部加導向桿或在外部加導向套。當彈簧兩端固定時，b5.3；當彈簧一端固定，一端可轉(zhuǎn)時，b3.7；當彈簧兩端都可轉(zhuǎn)動時，b2.6。 二、彈簧的特性曲線二、彈簧的特性曲線F1最小工作載荷，即彈簧在安裝位置時所受的壓力。彈簧特性曲線表示彈簧載何與變形量之間的關(guān)系曲線圓柱螺旋彈簧在彈性變形范圍內(nèi)，其變形和載荷成正比F2最大工作載荷，此時彈簧絲的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料的許用應(yīng)力。Flim極限載荷，此時彈簧絲的應(yīng)力達到剪切屈服極限。H

8、1、H2、Hlim分別對應(yīng)于上述三種載荷作用時的彈簧高度。1、2、lim分別對應(yīng)于上述三種載荷作用時的彈簧的軸向變形量。彈簧剛度1212FFkyy常數(shù)三、拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)特點三、拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)特點圓柱螺旋彈簧卷制時已使各圈相互并緊，即0。 為了增加彈簧的剛性，多數(shù)拉簧在制成之后已具有初應(yīng)力。拉簧端部做有掛鉤，以便安裝和加載。半圓鉤環(huán)型圓鉤環(huán)型活動鉤可調(diào)式活動鉤四、設(shè)計計算步驟四、設(shè)計計算步驟設(shè)計彈簧應(yīng)滿足的條件：足夠的強度；符合載荷變形特性曲線的要求；不側(cè)彎已知條件： 彈簧所承受的最大工作載荷F2和相應(yīng)的變形2，其他方面的要求（工作溫度、空間地位的限制等）。設(shè)計步驟： 根據(jù)工作條件選擇合宜的彈簧

9、材料及結(jié)構(gòu)形式；求應(yīng)力、變形的公式確定彈簧的主要參數(shù)d、D2、n；求彈簧的其他結(jié)構(gòu)尺寸t、H0及簧絲展開長度；155 其他彈簧簡介其他彈簧簡介 一、平面蝸卷盤簧一、平面蝸卷盤簧蝸卷簧，它的結(jié)構(gòu)是按阿基米德螺線形成的平面蝸卷形盤簧特性曲線扭轉(zhuǎn)彈簧的特性如左圖，呈螺旋形，兩端帶有桿臂或掛鉤，自由狀態(tài)下，各彈簧圈間留有少量間隙。扭轉(zhuǎn)彈簧的特性線見右圖。 二、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧二、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧曲度系數(shù) KbbWTKWMKmaxmax 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧鋼絲剖面中的應(yīng)力，可近似地看作彎曲梁進行計算最大扭轉(zhuǎn)角 4414CCK3max 1 . 0bTKd扭轉(zhuǎn)剛度 EInDT2maxmax工作圈數(shù)nDEITk2maxmax22maxmaxDkEIDTEIn三、碟型彈簧三、碟型彈簧碟形彈簧又稱