機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 彈簧 課件

主講人：田艷行spring機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模塊九彈簧彈簧的功能、類型和材料圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)和制造圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)一二三彈簧的功能、類型和材料一一、彈簧的功能彈簧是一種彈性元件,由于材料的彈性和彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),它具有多次重復(fù)地隨外載荷的大小而做相應(yīng)的彈性變形,卸載后立即恢復(fù)原狀的特性,可以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)、緩和沖擊或振動(dòng)、貯蓄能量、測(cè)量力的大小等,廣泛用于機(jī)器、儀表中。其主要功能有以下幾點(diǎn)。(1)減振和緩沖,如車輛的懸掛彈簧、各種緩沖器和彈性聯(lián)軸器中的彈簧等。(3)測(cè)力,如測(cè)力器和彈簧秤的彈簧等。(3)儲(chǔ)存及輸出能量,如鐘表彈簧、槍栓彈簧、儀表和自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)上的原動(dòng)彈簧等。(4)控制運(yùn)動(dòng),如控制彈簧門關(guān)閉的彈簧,離合器、制動(dòng)器上的彈簧,控制內(nèi)燃機(jī)氣缸閥門開啟的彈簧等。彈簧的分類方法很多。按照所承受的載荷不同,彈簧可分為拉伸彈簧[見圖(a)]、壓縮彈簧[見圖(b)、圖(c)]、扭轉(zhuǎn)彈簧[見圖(d)]等;按照形狀的不同,彈簧可分為螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、平面渦卷彈簧和板彈簧等。彈簧類型二、彈簧的類型壓縮彈簧螺旋彈簧是用金屬絲(條)按螺旋線卷繞而成的,由于制造簡(jiǎn)便,因而應(yīng)用最廣。其按形狀可分為圓柱形、截錐形。環(huán)形彈簧[見下圖(a)]和碟形彈簧[見下圖(b)]都屬于壓縮彈簧,在工作過(guò)程中因?yàn)橐徊糠帜芰肯脑诟魅χg的摩擦上,所以具有很高的緩沖吸振能力,多用于重型機(jī)械的緩沖裝置。二、彈簧的類型左圖所示為平面渦卷彈簧,或稱盤簧,它的軸向尺寸很小,常用作儀器和鐘表的儲(chǔ)能裝置。右圖所示為板彈簧,由許多長(zhǎng)度不同的鋼板疊合而成,主要用作各種車輛的減振裝置。盤簧板彈簧二、彈簧的類型彈簧常在變載荷和沖擊載荷作用下工作,而且要求在受極大應(yīng)力的情況下不產(chǎn)生塑性變形,因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強(qiáng)度極限、彈性極限和疲勞強(qiáng)度極限,不易松弛,同時(shí)要求有較高的沖擊韌性、良好的熱處理性能等。彈簧的常用材料有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼和有色金屬合金等。三、彈簧的材料1.碳素彈簧鋼

碳素彈簧鋼的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,原材料來(lái)源方便;缺點(diǎn)是彈性極限低,多次重復(fù)變形后易失去彈性,且不能在高于120℃的溫度下正常工作。2.低錳彈簧鋼低錳彈簧鋼與碳素彈簧鋼相比,優(yōu)點(diǎn)是淬透性較好和強(qiáng)度較高;缺點(diǎn)是淬火后容易產(chǎn)生裂紋及熱脆。但因?yàn)閮r(jià)格便宜,所以一般機(jī)械上常用的尺寸不大的彈簧可以用此種材料制造,如離合器彈簧等,常見型號(hào)如65Mn。四、減速器的設(shè)計(jì)步驟3.硅錳彈簧鋼硅錳彈簧鋼中因加入了硅,故彈性極限顯著提高,回火穩(wěn)定性也提高了,因此可在更高的溫度下回火,從而得到良好的力學(xué)性能。但含硅量高時(shí),其表面易于脫碳。由于錳的脫碳性小,故在鋼中加入硅、錳這兩種元素,就是為了發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),并減少彼此的缺點(diǎn),因此硅錳彈簧鋼在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,一般用于制造汽車、拖拉機(jī)的螺旋彈簧,常見型號(hào)如60Si2MnA。四、減速器的設(shè)計(jì)步驟鋼中加入釩的目的是細(xì)化組織,提高鋼的強(qiáng)度和韌性,故50鉻釩鋼這種材料是耐疲勞和抗沖擊性能良好的彈簧鋼。它有良好的力學(xué)性能,并能在-40~350℃的溫度下工作,但價(jià)格較貴。航空發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的彈簧多采用此種材料,如柱塞油泵的柱塞彈簧等。此外,某些不銹鋼和青銅等材料,具有耐腐蝕的特點(diǎn),青銅還具有防磁性和導(dǎo)電性,故常用于制造化工設(shè)備中或工作于腐蝕性介質(zhì)中的彈簧。其缺點(diǎn)是不容易熱處理,力學(xué)性能較差,在一般機(jī)械中很少采用。四、減速器的設(shè)計(jì)步驟4.50鉻釩鋼

四、減速器的設(shè)計(jì)步驟4.50鉻釩鋼注:Ⅰ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)大于106,或很重要的彈簧;Ⅱ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)為103~105,或受沖擊載荷的彈簧,或受靜載荷的重要彈簧;Ⅲ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)小于103,或受靜載荷的彈簧。四、減速器的設(shè)計(jì)步驟4.50鉻釩鋼四、減速器的設(shè)計(jì)步驟四、減速器的設(shè)計(jì)步驟圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)和制造二

圓柱螺旋彈簧又分為圓柱螺旋壓縮彈簧和圓柱螺旋拉伸彈簧。

圓柱螺旋壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu)一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)1.圓柱螺旋壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋拉伸彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)與圓柱螺旋壓縮彈簧的基本相同,不同的是:在自由狀態(tài)下,圓柱螺旋拉伸彈簧各圈相互并攏,即間距等于零。這類彈簧可分為無(wú)預(yù)應(yīng)力和有預(yù)應(yīng)力兩種,前者的各圈雖然并緊,且相互間沒有壓緊力,故在自由狀態(tài)下彈簧絲中沒有預(yù)應(yīng)力;而后者是在卷繞成形時(shí),使彈簧絲繞其自身軸線扭轉(zhuǎn),制成彈簧的各圈之間具有一定的壓緊力,故在自由狀態(tài)下彈簧絲中存在著一定的預(yù)應(yīng)力。有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧主要用在要求彈簧軸向尺寸較小的場(chǎng)合。一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋拉伸彈簧的端部制出掛鉤,以便安裝和加載。常用的端部結(jié)構(gòu)形式如圖所示。圓柱螺旋拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的掛鉤形式一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)如下圖所示,具體如下。

圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

二、圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

二、圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)螺旋彈簧的制造過(guò)程包括卷繞、兩端面加工(指壓簧)或掛鉤的制作(指拉簧和扭簧)、熱處理和工藝性試驗(yàn)等。大批生產(chǎn)時(shí),彈簧的卷制是在自動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行的,小批生產(chǎn)則常在普通車床上或者手工卷制。彈簧的卷繞方法可分為冷卷和熱卷兩種。當(dāng)彈簧絲直徑小于10mm時(shí),常用冷卷法。冷卷時(shí),一般用冷拉的碳素彈簧鋼絲在常溫下卷成,不再淬火,只經(jīng)低溫回火消除內(nèi)應(yīng)力。熱卷的彈簧卷成后須經(jīng)過(guò)淬火和回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進(jìn)行表面檢驗(yàn)及工藝性試驗(yàn),以鑒定彈簧的質(zhì)量。三、彈簧的制造為了提高彈簧的承載能力,在彈簧制成后,可再進(jìn)行強(qiáng)壓處理或噴丸處理等強(qiáng)化措施。強(qiáng)壓處理是使彈簧在超過(guò)極限載荷下受載6~48h;噴丸處理是用一定的速度向彈簧噴射鋼丸或鑄鐵丸。這兩種強(qiáng)化處理都是使彈簧的表層產(chǎn)生塑性變形,保留有利的殘余應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力的方向恰與工作應(yīng)力相反,故在彈簧受載時(shí)可抵消部分工作應(yīng)力。經(jīng)強(qiáng)化處理的彈簧不宜在較高溫度(150~450℃)和長(zhǎng)期振動(dòng)及有腐蝕介質(zhì)的場(chǎng)合工作。三、彈簧的制造彈簧制作完成后,要根據(jù)技術(shù)條件的規(guī)定進(jìn)行精度、沖擊、疲勞等試驗(yàn),以檢驗(yàn)彈簧是否符合技術(shù)要求。需特別指出的是,彈簧的持久強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度在很大程度上取決于彈簧絲的表面狀況。因此彈簧的表面必須光潔,沒有裂紋和傷痕等缺陷,脫碳層深度應(yīng)符合技術(shù)條件的規(guī)定。重要用途的彈簧還需進(jìn)行表面保護(hù)處理(如鍍鋅),普通的彈簧一般涂油或漆。三、彈簧的制造圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)三下面討論的是在Ⅲ類載荷(靜載荷)作用下彈簧的應(yīng)力、變形計(jì)算。

彈簧絲的應(yīng)力分析一、圓柱螺旋彈簧的應(yīng)力分析1.彈簧的應(yīng)力計(jì)算

彈簧絲的應(yīng)力分析一、圓柱螺旋彈簧的應(yīng)力分析1.彈簧的應(yīng)力計(jì)算

一、圓柱螺旋彈簧的應(yīng)力分析1.彈簧的應(yīng)力計(jì)算

一、圓柱螺旋彈簧的應(yīng)力分析2.彈簧的變形計(jì)算不同彈簧絲直徑推薦用的旋繞比見下表。G、d、C、n對(duì)彈簧剛度都有影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素。一、圓柱螺旋彈簧的應(yīng)力分析2.彈簧的變形計(jì)算

圓柱螺旋壓縮彈簧特性曲線二、特性曲線

圓柱螺旋拉伸彈簧特性曲線二、特性曲線在設(shè)計(jì)時(shí),通常根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、結(jié)構(gòu)要求(如安裝空間對(duì)彈簧尺寸的限制)等來(lái)決定簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、螺旋升角和彈簧長(zhǎng)度等。其具體設(shè)計(jì)方法和步驟如下。(1)選擇材料,確定許用應(yīng)力。①選擇材料,并查取其力學(xué)性能數(shù)據(jù)。②初選彈簧旋繞比C。通?？扇=5~8(極限狀態(tài)時(shí)不小于4或超過(guò)16),并按式(10-3)算出曲度系數(shù)k值。③根據(jù)初選C值及安裝空間估計(jì)彈簧中徑D2,估取彈簧絲直徑d,并由表10-1查取彈簧絲的許用應(yīng)力。三、彈簧的設(shè)計(jì)步驟

三、彈簧的設(shè)計(jì)步驟

壓縮彈簧的失穩(wěn)導(dǎo)桿和導(dǎo)套三、彈簧的設(shè)計(jì)步驟

不穩(wěn)定系數(shù)值三、彈簧的設(shè)計(jì)步驟

(6)繪制彈簧工作圖。一張完整的彈簧工作圖,應(yīng)包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)和技術(shù)條件等三方面的內(nèi)容。幾何參數(shù)包括彈簧的形狀和尺寸;物理參數(shù)主要指變形與載荷的關(guān)系及相應(yīng)變形下的載荷大小;技術(shù)條件則為彈簧滿足使用要求而需要達(dá)到的性能指標(biāo)(如熱處理硬度)及需要采取的工藝措施(如強(qiáng)壓處理、噴丸處理、氧化處理或鍍鋅等)。三、彈簧