机械设计基础弹簧详解实用教案

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1、工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大(jio d)的弹性的弹性变形，变形， 在机械设备中被广泛用作弹性元件。在机械设备中被广泛用作弹性元件。功用：功用：1. 控制机构运动或零件控制机构运动或零件(ln jin)的位置的位置; 如凸轮机构、如凸轮机构、离合器、阀门等；离合器、阀门等；18-1 18-1 弹簧(tnhung)(tnhung)的功用和类型 3. 存储能量存储能量; 如钟表仪器中的弹簧；4. 测量力的大小测量力的大小 。如弹簧秤中的弹簧螺旋螺旋弹簧弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形状分按形状分 按受载分按受载分 拉伸弹簧拉伸弹簧 压缩弹簧压缩弹簧

2、 扭转弹簧扭转弹簧 类型：类型：分类分类2. 缓冲吸振缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；第1页/共24页第一页，共25页。本章内容分类分类(fn li)螺旋弹簧螺旋弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形状按形状(xngzhun)分分 按受载分按受载分 拉伸拉伸(l shn)弹簧弹簧 压缩弹簧压缩弹簧 扭转弹簧扭转弹簧 环形弹簧环形弹簧 平面涡圈弹簧平面涡圈弹簧 仪表中储能用板弹簧板弹簧 碟形弹簧碟形弹簧 第2页/共24页第二页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云232218DddFDT一、弹簧的应力一、弹簧的应力已知条件如图。已知条件如图。1

3、8-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形D2dTFF22FDTF扭矩：剪切力：截面受力：截面受力：剪切应力：剪切应力：剪切应力：剪切应力：24dF23248dFdFDFFTWT16232dDF328dFD D2 /2弹簧轴线 d D2 /2弹簧轴线 d ” F” D2 /2弹簧轴线 d 第3页/共24页第三页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云1.61.51.41.31.21.11.0C=D2 /2曲度系数K3 4 5 6 7 82010 121416918C-旋绕旋绕(xunro)比，或弹簧指比，或弹簧指数。数。-弹簧的曲度系数弹簧的曲

4、度系数 强度条件：强度条件：dDC2令CdFC5 .018282dFCK截面总切应力：截面总切应力： d” 未考虑簧丝曲率的应力d” CCCK615.04414其中设计公式：设计公式：6.1KFCd 其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得CCC615.04414精确分析可得如下公式：第4页/共24页第四页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云二、弹簧(tnhung)的变形dttdsdGFDd0042284328GdnFDFk在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形，取微段分析D2/2微段轴向变形量d：C kC值过小 制造困难，内侧应力；取值范围：C=416 C值过大 弹簧容

5、易颤动。dD2FF4228dGdsFDdDd22GdnFC38nDGd3248nCGd38n为有效圈数钢：G=8104 Mpa, 青铜：G=4104 Mpa G-材料的切变模量：根据材料力学有关圆柱螺旋弹簧变形的计算公式TTOdsO第5页/共24页第五页，共25页。设计(shj)：潘存云一、弹簧(tnhung)的制造18-3 18-3 弹簧的制造、材料(cilio)(cilio)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：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

6、原则：充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。第7页/共24页第七页，共25页。三、弹簧(tnhung)的许用应力弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要(zhngyo)程度，以及簧丝的尺寸等弹簧(tnhung)按载荷分为三类：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。第8页/共24页第八页，共25页。表181 螺旋弹簧的常用

7、材料和许用应力材 料名 称牌号65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素弹簧钢丝, , , 60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC合金弹簧钢丝类类弹簧I青铜丝类类弹簧II类类弹簧III推荐使用温度 推荐硬度范围 特性及用途 强度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只适用于小弹簧。 50CrVA 450 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 750 40300 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 45040120 90100HBS弹性和回火稳定性好，易脱碳，用于制造受重载的弹

8、簧。有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于承受变载的弹簧耐腐蚀，耐高温，适用于做较大的弹簧耐腐蚀，防磁好许用切应力 / MPa第9页/共24页第九页，共25页。组 别III、IIaIII钢丝直径 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 1700 1650 1600 1500 1500 1450 -2250 2250 2200 2150 2050 1950 1850 1800 1650 1650 15

9、50 1500 1400 1400 1350 12501750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250表182 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限第10页/共24页第十页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云18-4 18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧(tnhung)(tnhung)的设计一、结构尺寸和特性曲线1. 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 。支承圈或死圈-两端有3/43/45/45/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。不磨平

10、磨平端部磨平-重要弹簧端部不磨平- - 一般用途磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4d/4压缩弹簧的总圈数：n1 = n+(1.52.5)为使工作平稳，n1的尾数取1/21/2变形用n为有效圈数第11页/共24页第十一页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云节距：t = d + +式中2 2为最大工作载荷F2作用时的变形量。通常 t(0.3t(0.30.5)0.5)D D2 2 , , =5=59 9间距: : 2 20.8n0.8nF2螺旋升角：弹簧丝的展开长度: :D D2 2 n n1 1coscosL=L=t tD D2 2=arctg=

11、arctg自由高度: :H0=n+(n1+1)dH0=n+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构H0t t弹簧的并紧高度： Hs =(n1+1)d(n1-0.5)d两端并紧不磨平结构：HsHsD2第12页/共24页第十二页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云当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。注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。加装导向杆b= H0 / D D2 2高径比： 5.3 3.7两端固定的弹簧一端固定，另一端铰支的弹簧加装导向套失稳第13页/共24页第十三页，共25页。设计(shj)：

12、潘存云2. 2. 压缩(y su)(y su)弹簧的特性曲线特性(txng)(txng)曲线- - 载荷变形曲线压缩弹簧的特性曲线F1F2FlimF第14页/共24页第十四页，共25页。设计(shj)：潘存云arctgarctgk k最小工作(gngzu)(gngzu)载荷: :F F1 1=（0.20.5）F2最大工作(gngzu)(gngzu)载荷- - F2- F2在F F2 2的作用下，maxmax 弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧可靠地稳定在安装位置上。极限载荷- - F FlimlimlimE2 21 10 0压缩弹簧的特性曲线FF1F2FlimH2HlimH1最小变形- - 1

13、 1对应的变形- - 2 2极限变形- - limlim0.8n 保证不并紧弹簧刚度：弹簧势能 E E F1F2FlimH0自由高度常数0122211FFFFk第15页/共24页第十五页，共25页。3. 3. 拉伸弹簧的结构(jigu)(jigu)特点a) a) 各圈相互(xingh)(xingh)并紧=0=0；b) b) 制作完成(wn chng)(wn chng)后具有初拉力；c) 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。特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。特点

14、：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。第16页/共24页第十六页，共25页。二、弹簧设计计算(j sun)(j sun)步骤设计(shj)(shj)要求：有足够(zgu)(zgu)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2 2，其他 要求（如工作温度、安装空间的限制等）计算步骤：1)1)选择弹簧材料及结构形式3)3)求应力：5)5)确定弹簧的圈数n n；CdFC5.01822)2)计算弹簧刚度：k= k= F2/ / 2 2 6.1KFCd 4)4)求簧丝直径：6)6)确定弹簧的结构尺寸第17页/共24页第十七页，共25页

15、。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云18-5 其他弹簧简介其他弹簧简介 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。第18页/共24页第十八页，共25页。设计(shj)：潘存云3231dMKWMK13324414dMCCEIMl当力矩为M时，若很小，则可认为(rnwi)扭簧只承受弯矩。强度(qingd)条件：扭转变形：W-截面系数 1.25E-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。MMMM扭转弹簧的载荷radEInMD2第19

16、页/共24页第十九页，共25页。1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙，以免载荷(zi h)作用下，因摩擦而影响其特性曲线。2）扭转弹簧(tnhung)的旋向应与外加力矩一致。弹簧(tnhung)内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载能力。3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙(jin x)。避免因D2减小而抱轴。设计要点：第20页/共24页第二十页，共25页。设计(shj)：潘存云1234OFy /t二、碟形弹簧(tnhung)结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个(du )组合使用载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。特

17、性曲线：呈非线性，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。利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。F簧片变平点D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5第21页/共24页第二十一页，共25页。设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计(shj)：潘存云设计：潘存云F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。由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。 吸振能力复合式弹簧：叠合式组合弹簧-摩擦

18、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第22页/共24页第二十二页，共25页。优点(yudin)：变形量小、承载能力大、在受载方向(fngxing)空间尺寸小。用途(yngt)： 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。第23页/共24页第二十三页，共25页。谢谢您的观看(gunkn)！第24页/共24页第二十四页，共25页。NoImage内容(nirng)总结工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，。第2页/共24页。第4页/共24页。H0=n+(n1+1)d。措施(cush)：内部加装导向杆、或外部加导向套。特性曲线- 载荷变形曲线。符合载荷-变形曲线的要求（刚度要求）。第23页/共24页。谢谢您的观看第二十五页，共25页。