大理工機械設計課件第11章 彈簧

板彈簧

圓柱螺旋彈簧圓錐螺旋彈簧碟形彈簧環形彈簧盤彈簧第11章彈簧§11—1概述

一、彈簧的功用（1）控制機構的位置和運動按照受力性質不同可分為：壓縮彈簧、拉伸彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧按外形不同又可分為：螺旋彈簧、碟形簧、環形簧、盤彈簧和板簧

二、彈簧的類型三、彈簧設計的基本概念1、彈簧特性線和剛度按照材料不同可分為：金屬和非金屬（2）緩沖及吸振（3）儲存能量（4）測量力和力矩彈簧特性線——表示彈簧載何與變形量之間的關系曲線彈簧的剛度——彈簧的載荷變化量與變形變化量之比，以k表示

,k越大彈簧越硬拉壓彈簧

扭轉彈簧

彈簧特性線呈直線的，其剛度為常數，稱為定剛度彈簧；當特性線呈折線或曲線時，其剛度是變化的，稱為變剛度彈簧。

常見彈簧的種類及特性曲線表10-1

彈簧剛度為特性線上某一點的斜率2、變形能加載過程中彈簧所吸收的能量稱為變形能對于拉、壓彈簧

對于扭轉彈簧

當特性線為直線時

彈簧工作過程中有阻尼時，加載與卸載特性線不重合，加載與卸載特性線所包圍的面積即代表消耗的能量U0，U0越大，說明彈簧的吸振能力越強。U0與U之比值稱為阻尼系數k環形彈簧、疊合碟形彈簧、多層板彈簧就是利用彈簧片之間摩擦把動能轉化為熱能，用做吸振彈簧§11—2圓柱螺旋彈簧的結構、制造及材料1、壓縮彈簧彈簧兩端的端面圈與鄰圈并緊，不參與彈簧變形，只起支承的作用，俗稱死圈。一、圓柱螺旋彈簧的結構2、拉伸彈簧如圖，圓柱螺旋拉伸彈簧不受外力的自由狀態，此時彈簧各圈應互相并攏。拉伸彈簧分無初拉力和有初拉力兩種。拉伸彈簧的端部結構形式半圓圓形可轉鉤可調式具體端部結構及代號見p337表10-9彈簧的卷制方法有冷卷法和熱卷法

二、圓柱螺旋彈簧的制造p330當簧絲直徑d<8~10用冷卷法，直徑大的用熱卷法

要求彈簧材料應具有高的彈性極限和疲勞極限，足夠的韌性和塑性，良好的熱處理性能。三、圓柱螺旋彈簧的材料及許用應力1、彈簧的材料p328冷卷下的彈簧多用冷拉，優質碳素彈簧鋼絲，預先熱處理，卷制后低溫回火熱卷下的彈簧必須熱處理重要的彈簧必須經表面處理：強壓和噴丸常用的彈簧材料有：碳素彈簧鋼（如60、75、65Mn等）、硅錳彈簧鋼（如60Si2MnA）、鉻釩彈簧鋼（如50Cr-VA）、不銹鋼（如1Cr18Ni9）及青銅（如QBe2）等，常見彈簧材料見表10－3。（p326)彈簧材料的許用應力與彈簧的受載循環次數有關2、彈簧的許用應力I類－－－受循環載荷次數N在106以上II類－－－受循環載荷次數N在1X103～1X106范圍內III類－－－受循環載荷次數N在1X103以下彈簧的許用應力見表10－6§11—3圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的設計計算一、彈簧特性線

預緊力F1稱為彈簧的最小載荷，安裝時預加的。Fmax為彈簧所承受的最大工作載荷，此時，彈簧高度壓縮到H2，相應變形為λmax，此時刻彈簧各圈之間仍應保留δ1的間隙，欲稱余隙。

F3為彈簧的極限載荷。λmax與λ1之差或H2與H1之差，稱為彈簧的工作行程λ0

彈簧工作應在彈性極限范圍內，此時載荷和變形成直線關系二、基本參數和設計公式圓柱螺旋彈簧的主要參數有：彈簧絲直徑d、彈簧圈外徑D、內徑D1、中徑D2、彈簧節距p和螺旋升角α、彈簧指數C（旋繞比）三、圓柱螺旋拉壓彈簧的強度計算1、彈簧受力當壓縮彈簧承受軸向載荷F的作用時，鋼絲剖面A-A上作用著橫向力F和扭矩T，A-A剖面呈橢圓形，現取垂直于鋼絲軸線的剖面B-B近似代替A-A

。彈簧絲直徑d、中徑D2常用值p329基本幾何尺寸p331表10－7K——曲度系數2、彈簧應力壓縮彈簧最大切應力四、彈簧的剛度計算1、彈簧的變形2、彈簧剛度和圈數

由材力中圓柱螺旋彈簧的變形量公式對于拉伸彈簧總圈數n1>20時圓整為整數圈，n1<20圓整為1/2圈對于壓縮彈簧n1的尾數宜取1/4，1/2或整數圈，常用1/2,彈簧的工作圈數n>=2,才能保證彈簧具有穩定的性能Ｃ——旋繞比取5~10G——切變模量表10－3確定彈簧絲的有效圈數C太大太小的利弊當彈簧兩端固定時，b<5.3；當彈簧一端固定，一端可轉時，b<3.7；當彈簧兩端都可轉動時，b<2.6。

Fc=CBkH0Fc——臨界穩定載荷

CB——不穩定系數

k——彈簧剛度為保證彈簧的穩定性必須滿足Fc≥(2~2.5)Fmax

若長細比不滿足要求，結構上又不允許加裝導桿或導套，則必須進行穩定性計算，計算其臨界穩定載荷3、彈簧的穩定性驗算

壓縮彈簧的自由高度H0與中徑D2之比稱為長細比（高徑比），以b表示五、圓柱螺旋彈簧的設計方法設計條件：設計時一般給出最大載荷Fmax和所要求的變形量及結構要求設計方法：設計時一般根據條件首先選標準彈簧，若選不出合適的可自行設計，按載荷條件和工作要求選擇簧絲材料，確定許用切應力通常用試算法先假定簧絲直徑d和初選旋繞比C進行計算把主要參數（d，中徑Ｄ2、有效圈數n等）盡量圓整到符合標準彈簧。初步確定主要參數后，再計算其他幾何參數如內徑Ｄ1、外徑Ｄ、自由高度Ｈ0等，必要時進行疲勞強度、靜強度和穩定性等驗算p337例題10-1六、受變載荷的圓柱螺旋彈簧的強度計算承受變載荷，作用次數N>103圓柱螺旋彈簧要進行疲勞強度驗算受穩定（隨時間作周期性變化，而應力大多保持為常數）變應力的彈簧，其應力為實際工作情況，工作應力多數為最小應力（安裝應力）保持不變的循環變應力[s]F根據彈簧實驗和設計計算數據精確度確定高時取1.3～1.7;低時取1.8～2.2靜強度安全系數計算公式為[s]s與[s]F相同§11—4圓柱螺旋扭轉彈簧的設計計算一、圓柱螺旋扭轉彈簧的結構及特性曲線

扭轉彈簧的形狀如左圖，呈螺旋形，兩端帶有桿臂或掛鉤，自由狀態下，各彈簧圈間留有少量間隙。扭轉彈簧的特性線見右圖。

二、圓柱螺旋扭轉彈簧的設計計算

扭轉彈簧曲度系數

K′圓柱螺旋扭轉彈簧鋼絲剖面中的應力，可近似地看作彎曲梁進行計算最大扭轉角

扭轉剛度

工作圈數常取Ｃ＝4～8§11—5其它類型彈簧簡介平面蝸卷形盤簧又稱蝸卷簧，它的結構是按阿基米德螺線形成的，如左圖。平面蝸卷形盤簧特性曲線如右圖

一、平面蝸卷形盤簧環形彈