,*,*,机械设计程课件,第十四章 弹簧,基本要求,1,)了解弹簧的功用、分类、材料、许用应力的确定,2,)掌握圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的主要几何参,数、特性线、强度计算与刚度计算的目的和计算,公式;,重点和难点,圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的设计计算。,第十四章 弹簧 基本要求,弹簧的主要功用,1,、缓冲、吸振和隔震,车辆、沙发等,14.1,概述,汽车减振板弹簧,汽车减振螺旋弹簧,自行车座弹簧,弹簧的主要功用14.1 概述汽车减振板弹簧汽车减振螺旋弹簧,弹簧的主要功用,2,、控制机构的运动,如阀内弹簧、离合器中的控制弹簧、气门复位弹簧、圆珠笔等,14.1,概述,弹簧的主要功用14.1 概述,弹簧的主要功用,3,、储存和释放能量,如枪栓弹簧、钟表弹簧,14.1,概述,弹簧的主要功用14.1 概述,弹簧的主要功用,4,、测量和控制力的大小,如各类预紧弹簧、弹簧秤、压力继电器弹簧,14.1,概述,弹簧的主要功用14.1 概述,弹簧的主要类型,按所受载荷分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,弯曲弹簧,弹簧的主要类型 按所受载荷分,按弹簧形状分,螺旋弹簧,环型弹簧,盘簧,板弹簧,碟型弹簧,弹簧的主要类型,按弹簧形状分弹簧的主要类型,机械设计程课件,机械设计程课件,14.2.1,螺旋弹簧的制造,14.2,弹簧的材料、许用应力及制造,14.2.1 螺旋弹簧的制造14.2 弹簧的材料、许用应力及,14.2.1,螺旋弹簧的制造,螺旋弹簧的制造过程,(,1,)卷绕,(,2,)钩环的制作或两端的加工,(,重要压缩弹簧磨平,),(,3,)热处理(淬火,+,回火),(,4,)工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。,需要注意的是:,1,)卷绕方法冷卷和热卷,当,d,8mm,用热卷,热卷温度按,d,大小,在,800,o,C,1000,o,C,之间选择,然后先淬火后回火处理。,2,)强化处理是最后处理。不允许再进行其他处理,也不允许在,150,o,C,450,o,C,和长期振动条件下工作,包括强拉强压和喷丸等。,14.2.1 螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程(1)卷绕(2,拉伸弹簧的端部结构,压缩弹簧的端部结构,弹簧端部结构制作,拉伸弹簧的端部结构压缩弹簧的端部结构弹簧端部结构制作,14.2.2,弹簧的材料,弹簧材料要求,1,)较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性,2,)良好的热处理性能,热处理后经久不变的弹性,且,脱碳性要小,3,)对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性,弹簧材料,常用弹簧材料:,碳素弹簧钢,、合金弹簧钢、不锈钢等;,受力小、防腐蚀、防磁等:有色金属,如青铜;,非金属弹簧材料:橡胶、塑料、软木及空气等。,14.2.2 弹簧的材料 弹簧材料要求,14.2.3,许用,(剪切和弯曲),应力,与材料、载荷变化特性及弹簧的重要程度有关:,1,、,类载荷,变,载荷,交变次数,10,6,次,多数疲劳破坏;,2,、,类载荷,-,静载重要弹簧、有冲击的弹簧或交变次数,10,3,10,6,次的弹簧,疲劳或静载破坏;,3,、,类载荷,-,静载弹簧或交变次数,10,3,次以内的一般弹簧,静载破坏。,注意表,14.3,(,P287,),与簧丝直径有关,14.2.3 许用(剪切和弯曲)应力,机械设计程课件,此表中:,B,、,C,、,D,级是指弹簧丝材料的机械强度组别,B,低应力弹簧,C,中应力弹簧,D,高应力弹簧,初取,C,估取簧丝直径,d,根据空间初取,D,强度计算得,d,结构设计,此表中:B、C、D级是指弹簧丝材料的机械强度组别初取C估取簧,机械设计程课件,14.3,圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的设计计算,设计计算内容有:,1,)确定结构形式和特性线,2,)选择材料和确定许用应力,3,)由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径,4,)由刚度条件确定弹簧的工作圈数,5,)确定弹簧的基本参数、尺寸等,14.3 圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的设计计算 设计计算内容,14.3.1,几何尺寸和参数,中径,D,、外径,D,2,、内径,D,1,节距,p,螺旋升角,(5,9,o,),弹簧丝直径,d,弹簧指数,/,旋绕比,C:,通常,C,=5,8,工作圈数:,n,14.3.1 几何尺寸和参数中径D、外径D2、内径D1,14.3.2,特性线,压缩弹簧的工作过程,b,:渐增型,a,:直线型,c,:渐减型,弹簧的载荷与变形的关系曲线:,特性线,14.3.2 特性线压缩弹簧的工作过程b:渐增型弹簧的载荷与,圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线,1,与,2,之差称为弹簧的工作行程,h,最小工作载荷:,最大工作载荷,压缩弹簧余隙,弹簧的最小工作载荷或者预紧载荷,弹簧的最小变形量或者预紧变形量,弹簧的最大工作载荷,弹簧的最大工作变形量,弹簧的极限工作载荷(材料屈服),弹簧的极限变形量,弹簧各圈并紧时的全变形量,压缩弹簧初始间隙,圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线 1与2之差称为弹簧的,圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线,紧,I,类弹簧,II,类弹簧,III,类弹簧,圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线紧 I 类弹簧 II类弹,圆柱型等节距拉伸螺旋弹簧及其特性线,拉伸弹簧的,中预应力的,产生类似于,拧绳。,圆柱型等节距拉伸螺旋弹簧及其特性线拉伸弹簧的,14.3.3,弹簧的受力和应力,在通过弹簧轴线的平面,A-A,内,弹簧丝的剖面呈椭圆形,而在垂直于弹簧的平面,B-B,内则为圆形,两剖面间夹角为弹簧的螺旋升角,而在,B-B,剖面上则作用有转矩,当弹簧受载荷,F,作用时,在,A-A,剖面上将作用有扭转力矩 和剪切力 。,弯矩,切向力,及法向力,该剖面上的应力可近似的取为,14.3.3 弹簧的受力和应力在通过弹簧轴线的平面A-A内,转矩,T,引起的切应力,切向力 引起的切应力,根据力的迭加原理可知,在弹簧丝内侧,a,点的合成应力最大,a,点的最大合成切应力为,为了简化计算,弹簧丝的曲率忽略,将其近似看做直梁,故,转矩T引起的切应力切向力 引起的切应力根据力的迭加原理可,关于旋绕比(也称弹簧常数),C,旋绕比,C,是弹簧设计中的一个重要参数。,当簧丝直径,d,一定时,,C,值越小,曲率越大,内外侧应力差越大。因此,,C,值不宜取太小,通常取,C,4,16,。推荐的不同簧丝直径的旋绕比如表所示。,因为,C,值较大,所以,关于旋绕比(也称弹簧常数)C因为C值较大,所以,考虑弹簧升角和曲率以及,的影响引入一个修正系数,K,则弹簧丝剖面上实际应力的分布将如图,(d),其强度条件,式中,K,称为,曲度系数,当按强度条件计算弹簧丝直径,d,时,应以最大工作载荷,代替式中的,则得,mm,考虑弹簧升角和曲率以及的影响引入一个修正系数K,则弹簧丝剖面,弹簧材料的许用切应力,查表,14.2,弹簧丝直径,d,的设计特点,(,1,)计算的簧丝直径应圆整为标准值;,(,2,),(针对碳素弹簧钢丝而言),和,C,都与,d,有关,需要试算;,先估取,d,,查,C,和,,再按,14.3,计算,d,,比较,再计算,直到相符为止。,也可先估取,C,5,8,,再估取,d,,再试算。,这种方法是机械设计和其他工程设计常用的方法。,弹簧材料的许用切应力,查表14.2弹簧丝直径d的设计,14.3.4,弹簧的变形和刚度,圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧受载荷后产生的轴向变形量为:,(,1,)对于压缩弹簧和无初应力,的拉伸弹簧,(,2,)对于有初应力的拉伸弹簧,为初拉力,弹簧的强度计算只能确定簧丝直径,d,和弹簧直径,D,,弹簧的工作圈数,n,需要由刚度确定。,14.3.4 弹簧的变形和刚度圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧受载,弹簧的刚度用 表示,拉伸和压缩弹簧的刚度为,定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为,讨论:,1,),K,F,与,C,3,成反比,,C,值愈小,弹簧刚度,K,F,愈大,弹簧愈硬,弹簧卷制愈难,工作时将引起较大的扭应力。满足要求的条件下,尽量取较大的,C,2,),K,F,与簧丝直径,d,成正比,与圈数,n,成反比,3,)当簧丝直径,d,一定时,,K,F,与,D,3,成反比,弹簧直径越大越软,从上述计算可知:弹簧圈数,n,取决于弹簧的变形或刚度,可通过上述公式计算得来,一般,n,2,圈,压缩弹簧的总圈数,n,1,n,n,2,弹簧的刚度用 表示,拉伸和压缩弹簧的刚度为定刚度的压缩,两端固定时,一端固定另一端自由转动时,两端均自由转动时,14.3.5,弹簧的稳定性,压缩弹簧的自由高度 与中径 之比,称为高径比,,为保证压缩弹簧的稳定性,其高径比,b,值应满足下列要求:,两端固定时一端固定另一端自由转动时两端均自由转动时14.3.,当,b,值不满足上述要求时,应进行稳定性验算。保持稳定时的临界载荷由下式计算,为保证弹簧的稳定性,最大工作载荷 与临界载荷 之间应满足以下关系,高径比,b,当b值不满足上述要求时,应进行稳定性验算。保持稳定时的临界载,当条件限制不能改变参数时,可以采取的措施包括加导杆、导套,但应注意导杆或导套与弹簧之间的间隙,见表,14.7,当稳定性达不到要求时,应重新选取参数,改变,b,值,提高,Fc,。,当条件限制不能改变参数时,可以采取的措施包括加导杆、导套,,14.3.6,受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计,设计的一般步骤如下:,1.,选择材料和确定许用应力。,(1),初选弹簧指数,C=5,8,,计算曲度系数,K,(2),根据初选,C,值及安装空间估计中径,估取簧丝直径,d,(3),选择材料,与直径,d,确定许用应力,2.,根据强度条件试算弹簧丝直径 ,校核后圆整。,3.,根据变形条件计算弹簧工作圈数。,4.,计算弹簧主要尺寸。,5.,验算稳定性。,6.,绘制弹簧工作图。,14.3.6 受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计设计的一般步骤如下,机械设计程课件,随堂测试(,3,),一、齿轮传动、蜗杆传动和弹簧等章节中对许,用应力都有专门描述,试分析其原因。,二、滑动轴承和蜗杆传动均要进行热平衡计算,,试述其原因。,三、结构改错(,p237,,思考题与习题,11.13,),随堂测试(3)一、齿轮传动、蜗杆传动和弹簧等章节中对许,