浙大机械设计基础课件-第16章-弹簧.ppt

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1、第16章 弹 簧,16-1 弹簧的功用和类型,16-2 弹簧的制造、材料和许用应力,16-3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形,16-5 其他弹簧简介,16-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计,浙江大学专用,工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形， 在机械设备中被广泛用作弹性元件。,功用：1. 控制机构运动或零件的位置;,16-1 弹簧的功用和类型,3. 存储能量;,4. 测量力的大小 。,螺旋弹簧,圆柱形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,弹簧类型,2. 缓冲吸振;,浙江大学专用,弹簧类型,螺旋弹簧,圆柱形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转

2、弹簧,环形弹簧,平面涡圈弹簧,板弹簧,碟形弹簧,浙江大学专用,一、弹簧的制造,16-2 弹簧的制造、材料和许用应力,二、弹簧的材料,制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。,冷卷：d10 mm,热卷：d 10 mm, 低温回火，消除应力, 淬火、回火,经强压处理可提高承载能力。,要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、 塑性和良好的热处理性能。,材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。,浙江大学专用,碳素弹簧钢：含碳量在0.60.9%之间，如65、70、85,合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。,有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。,优点：容易获得

3、、价格便宜、热处理后具有较高的强 度，适宜的韧性和塑性。,缺点：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。,优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。,选用原则：充分考虑载荷条件、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。,浙江大学专用,三、弹簧的许用应力,弹簧材料的机械性能按受载情况分为三类：P282,I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。,II类弹簧：受变载荷作用次数在103 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。,III类弹簧：受变载荷作用次数在103 ，或受静载荷的弹簧。,浙江大学专用,一、弹簧的应力,已知条件如图。,16-

4、3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形,截面受力：,剪切应力：,剪切应力：,浙江大学专用,C-旋绕比，或弹簧指数。,-弹簧的曲度系数,强度条件：,截面总切应力：,设计公式：,浙江大学专用,二、弹簧的变形,微段轴向变形量dl：,C ,k,C值过小 制造困难，内侧应力；,取值范围：C=416,C值过大 弹簧容易颤动。,钢：G=8104 Mpa, 青铜：G=4104 Mpa,浙江大学专用,16-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计,一、结构尺寸和特性曲线,1. 压缩弹簧的结构尺寸,压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距d 。,支承圈或死圈-两端有3/45/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形

5、。,磨平,端部磨平-重要弹簧,端部不磨平- 一般用途,压缩弹簧的总圈数：,n1 = n+(1.52.5),其它尺寸见P284表。,浙江大学专用,2. 压缩弹簧的特性曲线,特性曲线- 载荷变形曲线,压缩弹簧的特性曲线,浙江大学专用,最小工作载荷:,F1=(0.20.5)F2,最大工作载荷- F2,在F2的作用下，tmaxt ,极限载荷- Flim,压缩弹簧的特性曲线,最小变形- l 1,对应的变形- 2,极限变形- llim,0.8nd,弹簧刚度：,弹簧势能 U,浙江大学专用,当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。,措施：内部加装导向杆、或外部加导向套。,b= H0 / D2,高径比：, 5

6、.3, 3.7,两端固定的弹簧,一端固定，另一端铰支的弹簧,失稳,浙江大学专用,3. 拉伸弹簧的结构特点,a) 各圈相互并紧d =0；,b) 制作完成后具有初拉力；,c) 端部做有拉钩，以便安装和加载。,拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、 转钩、可调转钩。,改进后的结构,拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。,浙江大学专用,二、弹簧设计计算步骤,设计要求：,有足够的强度,符合载荷-变形曲线的要求（刚度要求）,不发生侧弯(失稳),已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形l2，其他 要求（如工作温度、安装空间的限制等）,计算步骤：,1)选择弹簧材料及结构形式。,4)确定弹簧的圈数n。,2)计算弹簧刚度

7、：k = F2/l2,3)求簧丝直径：,5)确定弹簧的结构尺寸。,浙江大学专用,16-5 其他弹簧简介,一、圆柱螺旋扭转弹簧,端部结构:,特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。,作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保 持电刷的接触压力等。,浙江大学专用,当力矩为M时，若a很小，则可认为扭簧只承受弯矩。,强度条件：,扭转变形：,W-截面系数,s 1.25t,E-材料的弹性模量，I-弹簧丝截面的惯性矩，D2-弹簧的中径， n-弹簧的有效圈数。,浙江大学专用,二、碟形弹簧,结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。,载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。,特性曲线：呈非线性

8、，变形取决于比值h/t变化。,重要特性：当h/t1.5时，中间一段接近于水平。,浙江大学专用,加载,卸载,碟形弹簧组合形式,对合式组合弹簧-,变形量增加，承载力不变。, 吸振能力,复合式弹簧：,叠合式组合弹簧-,摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振,在变形量不变时，承载力大大增加 。,摩擦消耗的能量-阴影面积,可同时增加变形量和承载能力,浙江大学专用,优点：,变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。,用途：,常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广泛地应用。,缺点：,用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造困难。,浙江大学专用,