彈簧設(shè)計基礎(chǔ)知識教材課件

1、彈簧設(shè)計目錄 一 彈簧概述 二 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造、 材料及許用應力五 其它彈簧簡介三 圓柱螺旋拉壓彈簧的設(shè)計計算 四 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計計算工作特點：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形， 在機械設(shè)備中被廣泛用作彈性元件。功用：1. 控制機構(gòu)運動或零件的位置; 如凸輪機構(gòu)、離合器、閥門等；一 彈簧的功用和類型 3. 存儲能量; 如鐘表儀器中的彈簧；4. 測量力的大小 ；如彈簧秤中的彈簧螺旋彈簧 圓柱形 截錐形 按形狀分 按受載分 拉伸彈簧 壓縮彈簧 扭轉(zhuǎn)彈簧 5. 改變系統(tǒng)的自振頻率。分類2. 緩沖吸振; 如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；分類螺旋彈簧 圓柱形 截錐形 按形狀分 按受

2、載分 拉伸彈簧 壓縮彈簧 扭轉(zhuǎn)彈簧 環(huán)形彈簧 平面渦圈彈簧 儀表中儲能用板彈簧 碟形彈簧 潘存云教授研制潘存云教授研制特種彈簧二 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造方法、 材料及許用應力一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)形式壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距 。支承圈或死圈-兩端有3/45/4圈并緊，以使彈簧站立平直，這部分不參與變形。不磨平磨平端部磨平-重要彈簧端部不磨平- 一般用途磨平長度不小于3/4圈，端部厚度近似為d/4d/4壓縮彈簧的總?cè)?shù)：n1 = n+(1.52.5)為使工作平穩(wěn)，n1的尾數(shù)取1/2變形用n為有效圈數(shù)1、圓柱螺旋壓縮彈簧 2、 拉伸彈簧a) 各圈相互并緊=0；b) 制作完成后具

3、有初拉力；c) 端部做有拉鉤，以便安裝和加載。拉鉤形式：半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、 轉(zhuǎn)鉤、可調(diào)轉(zhuǎn)鉤。改進后的結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計算與壓縮彈簧相同。特點：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、但彎曲應力大。應用于中小載荷與不重要的場合。特點：彎曲應力小。適用于變載荷的場，但成本較高。二、彈簧的制造制造過程：卷繞、端面加工(壓簧)或拉鉤制作（拉簧或扭簧）、熱處理和工藝性試驗。冷卷：d12 mm，不易淬透，故僅適用于小尺寸的 彈簧。優(yōu)點：適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高 的彈簧。選用原則： 充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質(zhì)、工作溫度和周圍介質(zhì)的情況）、功用及經(jīng)濟性等因素。一般應優(yōu)先采用碳素碳簧鋼絲。2、彈簧

4、的許用應力彈簧的許用應力主要取決材料品質(zhì)、熱處理方法、載荷性質(zhì)、彈簧的工作條件和重要程度，以及簧絲的尺寸等彈簧按載荷分為三類：I類彈簧： 受變載荷作用次數(shù)106，或很重要的彈簧。II類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103 105 ，或受沖擊 載荷的彈 簧，或受靜載荷的重要彈簧。III類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103 ，或受靜載荷 的彈簧。在選取材料和確定許用材料試,如下情況應適當調(diào)整A 對重要彈簧,其損壞對整個機器有重大影響時,許用應力應適當降低B 經(jīng)強壓處理的彈簧,能提高其疲勞極限,對改善載荷下的松弛有明顯效果,可是適當提高許用應力C 經(jīng)噴丸處理的彈簧,能適當提高疲勞強度或疲勞壽命,其許用應力可提

5、高20%D 工作溫度超過60 c 時應對其切變模量進行修正,其修正公式Gt=Kt*GG 常溫下的切變模量Gt 工作溫度下的切變模量 Kt 溫度修正系數(shù)潘存云教授研制表161 螺旋彈簧的常用材料和許用應力材 料名 稱牌號65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素彈簧鋼絲, , , 60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC合金彈簧鋼絲類彈簧I青銅絲類彈簧II類彈簧III推薦使用溫度 推薦硬度范圍 特性及用途 強度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只適用于小彈簧。 50CrVA 450 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 7

6、50 40300 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 45040120 90100HBS彈性和回火穩(wěn)定性好，易脫碳，用于制造受重載的彈簧。有高的疲勞極限，彈性、淬透性和回火穩(wěn)定性好，常用于承受變載的彈簧耐腐蝕，耐高溫，適用于做較大的彈簧耐腐蝕，防磁好許用切應力 / MPa潘存云教授研制組 別III、IIaIII鋼絲直徑 d/ mm0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.02700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800 17

7、00 1650 1600 1500 1500 1450 -2250 2250 2200 2150 2050 1950 1850 1800 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 12501750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250表162 碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限彈簧電鍍相關(guān)資料彈簧電鍍相關(guān)資料節(jié)距：t = d +max -最大變形量。F2為最大載荷通常 t(0.30.5)D2 , =59間距: max0.8n螺旋升角：彈簧絲的展開長度:D2 n1c

8、osL=tD2=arctg自由高度:H0=n+(n1+1)d兩端并緊不磨平結(jié)構(gòu)：HsHsD2H0=n+(n1-0.5)d對于兩端并緊磨平結(jié)構(gòu)并緊高度： Hs =(n1+1)d(n1-0.5)d三 拉伸(壓縮)彈簧的設(shè)計計算 一、幾何尺寸計算 maxF2H0t圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計算 計算公式 壓縮彈簧 拉伸彈簧 參數(shù)名稱及代號中徑D D=Cd 取標準值 壓縮彈簧廠細比b b=H0/D2 b在15.3的范圍選取自由高度或長度H0有效圈數(shù)n備 注Lh為鉤環(huán)展開長度兩端并緊，磨平；H0pn+(1.52)d兩端并緊，不磨平；H0pn+(33.5)dGd8(Fmax-F0)n=-max 單位：mm內(nèi)徑D

9、1 D1=D-d 旋繞比C C=D/d 外徑D2 D2=D+d H0 =nd+HhHn = H0 +n Hn = H0 + n n -工作變形量 n2有預應力的拉伸彈簧壓縮彈簧或無預應力的拉伸彈簧工作高度或長度H1 H1 .H1Gd8FmaxC3n=-max 續(xù)表 圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計算 計算公式 壓縮彈簧 拉伸彈簧 參數(shù)名稱及代號總?cè)?shù)n1節(jié)距 p p=(0.280.5)D p=d 軸向間距 =p-d展開長度L螺旋角 質(zhì)量ms備 注拉伸彈簧n1尾數(shù)為1/4、1/2、3/4、整圈，推薦用1/2圈Lh為鉤環(huán)展開長度對壓縮螺旋彈簧，推薦用=5 9 為材料的密度，對各種鋼， =7700kg/m3;

10、 對鈹青銅，=8100kg/m3 n1=n冷卷： n1=n+(22.5)YII型熱卷： n1=n+(1.52)Dn1cosL=-=arctan(p/D) LDn+Lh d24ms=-L 單位：mm潘存云教授研制二、 彈簧的特性曲線特性曲線- 載荷變形曲線壓縮彈簧的特性曲線F1、壓縮彈簧的特性曲線F1F2Flim潘存云教授研制arctgk最小工作載荷:Fmin=（0.10.5）Fmax最大工作載荷- Fmax在Fmax的作用下，max 彈簧在安裝位置所受壓力，它能使彈簧可靠地穩(wěn)定在安裝位置上。極限載荷- FlimlimEmaxmin0壓縮彈簧的特性曲線F最小變形- min對應的變形-max極限變

11、形- limF0時彈簧才開始變形。FminFminFmaxFmaxFlimFlimD2/2A-ABBM=Tsin F故截面B-B上的載荷可近似取為： FFF”彈簧受軸向載荷F時，作用在軸向截面A-A上的力有：扭矩： T=FD2/2軸向力： F 在法面B-B上的力有：橫向力: F”軸向力: F彎矩： M=Tsin扭矩： =5 9 sin 0, cos 1扭矩： T=FD2/2FT d B-BAA=Fcos=FsinTT=Tcos橫向力：F三、彈簧受載時的應力與變形1、簧絲受力分析TFT=Tcos 潘存云教授研制FT截面受力：剪切應力：T 2、彈簧的應力扭切應力：D2 /2彈簧軸線 d TFD2

12、/2彈簧軸線 d F合成應力：D2 /2彈簧軸線 d F F FTT潘存云教授研制C-旋繞比，或彈簧指數(shù)。dF F dKT未考慮簧絲曲率的應力 由于0.5/C遠小于1，故由F引起的剪切應力可忽略。 若考慮螺旋升角和簧絲曲率對應力集中的影響，實際應力分布與理論分析有差別。D(min) 0.20.4 0.451 1.12.2 2.56 716 1842 C=D2/d 714 512 510 49 48 46常用旋繞比C 實踐證明：彈簧內(nèi)側(cè)m點最容易產(chǎn)生破壞。mm1.61.51.41.31.21.11.0C=D2 /2曲度系數(shù)K3456782010121416918-彈簧的曲度系數(shù) 強度條件：設(shè)計公

13、式：其值可直接查表下表可得引入系數(shù)K來補償螺旋升角和簧絲曲率的影響，得：潘存云教授研制3、彈簧的變形d在軸向載荷的作用下，彈簧產(chǎn)生軸向變形，取微段分析D2/2微段軸向變形量d：C kC值過小 制造困難，內(nèi)側(cè)應力；常用值：C=58 C值過大 彈簧容易顫動。dD2Fn為有效圈數(shù)G-材料的切變模量：根據(jù)材料力學有關(guān)圓柱螺旋彈簧變形的計算公式dsOTTOF鋼：G=8104 Mpa, 青銅：G=4104 Mpa 彈簧的最大變形量：1）對于壓縮彈簧和無預應力拉伸彈簧：2）對于有預應力的拉伸彈簧： 拉伸彈簧的初拉力取決于材料、簧絲直徑、旋繞比和加工方法。可按右圖選取。C=D2/d 3 4 5 6 7 8 9

14、 10 11 122202001801601401201008060402000初拉應力 初拉力的計算： 四、彈簧設(shè)計計算步驟設(shè)計要求：有足夠的強度符合載荷-變形曲線的要求（剛度要求）不發(fā)生側(cè)彎(失穩(wěn))已知條件：最大工作載荷Fmax和相應的變形max，其 它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）計算步驟：1)選擇彈簧材料及結(jié)構(gòu)形式；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力；4)試算簧絲直徑：2) 選擇旋繞比C，通常可取C 5 8，并算出補償系 數(shù)K值；5) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：對于有預應力的拉伸彈簧：對于壓縮彈簧或無預應力的拉伸彈簧： 6) 檢查

15、D2、D1、H0是否符合安裝要求等; 7) 驗算：疲勞強度、強度驗算振動驗算穩(wěn)定性驗算 強度校核：循環(huán)次數(shù) N103 疲勞強度和靜應力強度校核; 循環(huán)次數(shù) N103 靜強度校核; FlimFO21OtD2Fa)疲勞強度校核 F1-安裝載荷；1預壓變形量；F2最大載荷；2最大變形量；強度條件：F1F2minmax當彈簧的設(shè)計計算及材力學性能數(shù)據(jù)精確性高時，?。?SF=1.31.7； 當精確性低時，?。?SF=1.82.2。0的含義按下頁表選取FFb)靜強度校核 強度條件：變載荷作用次數(shù)N 104 105 106 107 0 0.45B 0.35B 0.33B 0.30B 彈簧材料的脈動循環(huán)極限0

16、 當彈簧的設(shè)計計算及材力學性能數(shù)據(jù)精確性高時，?。?SS =1.31.7； 當精確性低時，取： SS =1.82.2。振動驗算 對于承受變載荷的彈簧，當加載頻率很高時， 容易引起彈簧的諧振而導致彈簧破壞。因此要進行振動驗算，以保證工作頻率遠低于基本自振頻率。圓柱螺旋彈簧的基本自振頻率為：將kF和mS代入后，可得：其中彈簧剛度：彈簧質(zhì)量系數(shù)： 為避免彈簧發(fā)生嚴重振動，要求： 當不能滿足以上要求時，應重新設(shè)計，增大kF或減小mS。潘存云教授研制失穩(wěn)當b大于許用值時，彈簧工作時會彎曲而失穩(wěn)。高徑比： b= H0 / D2 5.3 兩端固定的彈簧 3.7 一端固定，一端自由轉(zhuǎn)動 Fmax 其中：Fc

17、-穩(wěn)定時的臨界載荷； Cu不穩(wěn)定系數(shù)； Cu2 4 6 8 100.80.60.40.20b=H0/D2兩端固定兩端回轉(zhuǎn)一端固定一端回轉(zhuǎn)加裝導向桿加裝導向套失穩(wěn)注意：導桿、導套與彈簧之間的間隙不能太大，工作時需加潤滑油。內(nèi)部加裝導向桿；或外部加導向套。 若Fc 1018 1030 3050 5080 80120 120150間隙C 0.6 1 2 3 4 5 6 7導桿、導套與彈簧間的直徑間隙潘存云教授研制一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 特點：外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。四 圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計計算 扭轉(zhuǎn)彈簧的軸向長度：H0=n(d+0)+2Hh n-有效圈數(shù)；0NI型NIV型NI

18、II型NII型H0TTHh0 -軸向間距，一般取0 =0.10.5 mm； dd-簧絲直徑; 2Hh -掛鉤長度; 二、扭轉(zhuǎn)彈簧的特性曲線TT 在材料的彈性極限內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧的載荷(扭矩)與變形(轉(zhuǎn)角) -特性曲線也是呈線性變化。TTlim 、lim -極限工作扭轉(zhuǎn)及極限轉(zhuǎn)角; Tmax 、max -最大工作扭轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)角; Tmin 、min -最小工作扭轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)角; 一般?。篢min =(0.10.5) Tmax 。應用實例：用于壓緊和儲能，如門的自動復位、電機中保持電刷的接觸壓力等。TT limT limT maxmaxT minmin潘存云教授研制強度條件：扭轉(zhuǎn)變形：W-截面系數(shù) 1.25E-

19、材料彈性模量，I-簧絲截面慣性矩，n-彈簧有效圈數(shù)， D2-彈簧中徑 。三、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的計算在扭矩T作用下，簧絲任意截面B-B內(nèi)的載荷為：彎矩：M=Tcos 因為很小，則可認為扭簧只承受彎矩：M T扭矩：T=Tsin MMTTTBBMTD2剛度：對于長臂扭轉(zhuǎn)彈簧，還要考慮扭臂的變形，此時1）對于精度高的扭轉(zhuǎn)彈簧，圈與圈之間應留有間隙，以免載荷作用下，因摩擦而影響其特性曲線。2）扭轉(zhuǎn)彈簧的旋向應與外加力矩一致。彈簧內(nèi)側(cè)的最大工作應力（壓）與卷繞產(chǎn)生的殘余應力（拉）反向（抵消），從而提高承載能力。3）心軸和彈簧內(nèi)徑之間必須留有間隙。避免因D2減小而抱軸。設(shè)計要點：已知條件：最大工作載荷Fma

20、x和相應的變形max，其 它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）設(shè)計確定：彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧 的螺旋升角和長度等。四、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計步驟計算步驟：1)選擇彈簧材料及許用應力，以及扭簧的結(jié)構(gòu)形式；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力；4)試算簧絲直徑d：2) 選擇旋繞比C，通常可取C 5 8，并算出補償系 數(shù)K1值；檢查尺寸是否合適。5) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：6）計算彈簧絲長度：環(huán)形彈簧潘存云教授研制板簧潘存云教授研制五 其他彈簧簡介 渦卷彈簧碟形彈簧潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1234OFy /t一、

21、碟形彈簧結(jié)構(gòu)特點：用鋼板沖制而成，外形象碟子。往往將多個組合使用載荷、變形：軸向力沿周邊均勻分布、h變小而產(chǎn)生軸向變形。特性曲線：呈非線性，變形取決于比值h/t變化。重要特性：當h/t1.5時，中間一段接近于水平。利用這一特性可在一定變形范圍內(nèi)保持載荷的恒定。例如在精密儀器中，可利用碟形彈簧使軸承端面的摩擦力不受溫度變化的影響；在密封墊圈中利用這一特性使密封性能不受溫度的影響。F簧片變平點D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F加載卸載碟形彈簧組合形式對合式組合彈簧-變形量增加，承載力不變。由于簧片之間存在摩擦損失，導致加載和卸載特性曲線不一樣。 吸振能力復合式彈簧：疊合式組合彈簧-摩擦阻尼大，特別適用于緩沖和吸振在變形量不變時，承載力大大增加 。摩擦消耗的能量-陰影面積可同時增加變形量和承載能力優(yōu)點：變形量小、承載能力大、在受載方向空間尺寸小。用途