機械設計第十五章彈簧

機械設計第十五章彈簧第15第一節(jié)概述

彈簧是機械中廣泛使用的零件。它是利用材料的彈性和本身的結(jié)構(gòu)特點，使其產(chǎn)生或恢復彈性變形時，把機械功或動能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，或把變形能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芑驒C械功，所以彈簧又是轉(zhuǎn)換能量的零件。一、彈簧的功用（1）緩沖吸振（汽車等減震彈簧）（2）控制運動（內(nèi)燃機的氣缸閥門）（3）測量力的大?。◤椈沙樱?）儲能及輸能（鐘表，槍栓彈簧）二、彈簧的類型表15.1三、彈簧設計的基本概念（1）彈簧的特性線和剛度對于變剛度彈簧（例如圓錐型螺旋彈簧為漸增型曲線當載荷達到一定程度后，剛度集聚增加，起到保護彈簧的作用。（2）彈簧的變形能（彈簧功）在加載過程中彈簧所吸收的能量為變形能OAB面積彈簧在工作過程中，若存在摩擦，將因摩擦而消耗一部分能量U0U0與U的比值稱為阻尼系數(shù)即R=U0/U阻尼系數(shù)越大緩沖吸振的能力越強圖15.1第二節(jié)圓柱形螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、材料及制造一、圓柱形螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)表15.3二、彈簧的材料和許用應力材料：1、具有較高的抗拉強度極限、彈性極限和疲勞強度極限，較高的沖擊韌性。

2、良好的塑性，硬度均勻

3、良好的熱處理性能，持久的彈性等材料選擇與許用應力見表15.4分類：按載荷性質(zhì)及使用中的重要程度，彈簧可分為3類：

Ⅰ類是用于承受載荷循環(huán)次數(shù)在106次以上的變載荷的彈簧

Ⅱ類是用于承受載倚循環(huán)次數(shù)在103～106次之間的變載荷或承受沖擊載荷的彈簧，以及承受靜載荷的重要彈簧；

Ⅲ類是用于承受載荷循環(huán)次數(shù)在103以下的變載荷彈簧或承受靜載荷的一般彈簧。碳素彈簧鋼絲材料的力學性能按強度高低分A、B、C3組：

A組為低級，B組為中級，C組為高級，碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限σB與其材料的力學性能組別及鋼絲直徑d有關。三、彈簧的制造主要有冷卷法：彈簧絲直徑d<8mm，在常溫下卷制成型，只需低溫回火，以消除內(nèi)應力。熱卷法：彈簧絲直徑d>8mm，卷好的彈簧經(jīng)淬火和回火處理。第三節(jié)圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧的設計計算一、彈簧的基本幾何參數(shù)和特性線圖15.21、基本幾何參數(shù)圖15.3a、壓縮彈簧特性線2、彈簧特性線b、拉伸彈簧特性線分無預應力拉伸彈簧和有預應力拉伸彈簧無預應力拉伸彈簧有預應力拉伸彈簧二、彈簧的強度計算目的：計算彈簧絲的直徑

壓縮彈簧在軸向力F的作用，彈簧絲剖面上作用有轉(zhuǎn)矩T=FD/2和切向力F，橫向力軸向力彎矩扭矩cosα≈1sinα≈0合成后彈簧絲內(nèi)側(cè)點的切應力最大，其值為：K—彈簧曲度系數(shù)C—彈簧旋繞比6～16常用C=5～8見表15.8按強度條件計算彈簧絲直徑d，以Fmax代替F注意：計算時，C與[τ]與彈簧絲直徑d有關方法：先估計d，查得C與[τ]后，試算出dt

與d比較，如果差別大再重新估算。直至得到滿意結(jié)果，圓整為標準值。

三、彈簧的剛度計算目的：確定彈簧的剛度kF根據(jù)材料力學公式，圓柱形拉伸或壓縮彈簧在軸向力F的作用的變形量為：{對有預應力F0的拉伸彈簧預應力F0彈簧的剛度kFkF與C的3次方成反比，控制C或Dn來改變kF最有效四、彈簧的穩(wěn)定性目的：防止失穩(wěn)設壓縮彈簧的長細比b=H0/D：滿足彈簧穩(wěn)定性的條件：彈簧兩端固定時，b<5.3;彈簧一端固定，另一端鉸支時，b<3.7彈簧兩端鉸支時，b<2.6不滿足上述條件時，應計算臨界載荷，并保證式中FC——不失穩(wěn)的臨界載荷，F(xiàn)C=CukFH0CU——不穩(wěn)定系數(shù)CU圖15.7圖15.9增加導向桿和導向套可改善彈簧的不穩(wěn)定圖15.9五、彈簧的結(jié)構(gòu)設計1、圓柱形壓縮螺旋彈簧在壓縮到最大變形時，各圈必須保持的最小間隙2、圓柱形拉伸螺旋彈簧有預應力拉伸彈簧，只有在拉力大于初拉力F0，鄰圈間才出現(xiàn)間隙彈簧的結(jié)構(gòu)見表15.2六、受變載荷的圓柱形壓縮（拉伸）螺旋彈簧的強度驗算對于承受變載荷（N>103）的彈簧要進行疲勞強度計算1、疲勞強度驗算材料內(nèi)部產(chǎn)生的最大和最小循環(huán)工作應力：τ0——彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞極限（MPa）

SF——許用安全系數(shù)，計算精確SF=1.3~1.7，精度低SF=1.8~2.2載荷作用次數(shù)N104105106107τ00.45σB0.45σB0.45σB0.45σBΤS——彈簧材料的剪切屈服極限（MPa）碳素彈簧鋼0.5σB，硅錳彈簧鋼0.6σB，鉻釩彈簧鋼0.7σB2、靜強度驗算SS——許用安全系數(shù)，與SF相同例14.1試計算一圓柱壓縮螺旋彈簧。已知最大工作載荷Fmax=800N，最小工作載荷Fmin=300N，要求彈簧的工作行程h=40mm，該彈簧屬Ⅱ類，采用兩端固定支座。解題思路：1、選擇彈簧材料，初定彈簧絲直徑d’，并確定許用應力[τ]2、計算彈簧絲直徑d3、根據(jù)初算的彈簧剛度，計算彈簧工作圈數(shù)n，然后確定彈簧剛度。4、計算彈簧的幾何尺寸。5、驗算彈簧的穩(wěn)定性。6、由于未知工作循環(huán)次數(shù)，所以不驗算疲勞強度與靜強度7、繪制彈簧零件工作圖作業(yè)15.115.215.1一Ⅱ類圓柱壓縮螺旋彈簧，材料為B組碳素彈簧鋼絲，D=40mm，d=5mm，n=6。試求該彈簧所能承受的最大工作載荷Fmax以及相應的變形量λmax。

解：彈簧再Fmax時彈簧絲之間的最小間隙δ1=0.1d=0.5mm，彈簧旋繞比C=D/d=40/5=8，查表15.5，σB=1200MPa，查表15.4，[τ]=0.3σB=360MPa由式15.7彈簧的自由高度H0=(n+2)d+0.5×n+λmax=65.42mm≈66mm15.2要求一圓柱壓縮螺旋彈簧工作時能承受的最大工作載荷Fmax=500N，最小工作載荷Fmin=200N，工作行程h=20mm，屬Ⅱ類彈簧，一般工作環(huán)境，兩端為固定支座，要求彈簧外徑D2<31mm。試設計該彈簧。解：彈簧在Fmax時彈簧絲之間的最小間隙δ1=0.1d=0.5mm，假設彈簧絲直徑d=2.5～6，C=4～10，取C=5，查表15.5，σB=1200MPa，查表15.4，[τ]=0.3σB=360MPa初算彈簧剛度kf=（Fmax-Fmin）/h=(500-200)/20=15取d=5mm，D=Cd=5×5=25mm，外徑D2=D+d=25+5=30mm初算λmax=Fmax/kf=500/15=33.33mm彈簧有效工作圈數(shù)n=27彈簧的自由高度H0=(n+2)d+0.5×n+λmax=(27+2)×5+0.5×27+33.78=192.28mm取H0=193mm彈簧的節(jié)距p=(H0-2d)/n=(193-2×5)/27=6.78mm彈簧穩(wěn)定性計算b=H0/D=193/25=7.72>5.3彈簧可能不穩(wěn)定Fc=CukfH0=0.22×14.8×193=628.4N<2.5×500=1250N彈簧不穩(wěn)定,必須加導向套筒15.