按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,彈簧的認識與應用,彈簧的認識與應用,1,机械五金标准件认识与应用之二课件,2,目錄,一,.,彈簧的分類,.,二,.,彈簧的功能,.,三,.,彈簧的材料及選材,.,四,.,彈簧的制造,.,五,.,彈簧的工作原理,.,六,.,彈簧的參數,.,七,.,彈簧的計算,.,目錄一.彈簧的分類.,3,一,.,弹簧分类,:,拉伸弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为,弹簧的种类很多，若按照其所承受的载荷性质，弹簧主要分为,:,1.,拉伸弹簧,2.,压缩弹簧,一.弹簧分类:拉伸弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹,4,拉伸弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为,3.,扭轉弹簧,4.,彎曲弹簧,一,.,弹簧分类,:,拉伸弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为,5,按照弹簧形状又可分为,:,1.,螺旋弹簧,2.,碟形弹簧,3.,環形弹簧,4.,板弹簧,5.,盤弹簧,一,.,弹簧分类,:,按照弹簧形状又可分为:1.螺旋弹簧2.碟形弹簧3.環形弹簧4,6,二,.,弹簧,功能,:,弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件。在各类机器中的应用十分广泛。其主要功用是：,1,）控制机械的运动，例如内燃机中控制气缸阀,门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧；,2,）吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减,振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；,3,）存储和释放能量，例如钟表弹簧、枪栓弹簧,等；,4,）测量力的大小，例如弹簧秤和测力器中的弹,簧等等。,二.弹簧功能:弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的,7,三,.,弹簧材料,:,为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表,20-2,列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图,20-2,给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。,三.弹簧材料:为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满,8,图,20-2,碳素钢丝直径与强度的关系,三,.,弹簧材料,:,图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系 三.弹簧材料:,9,表,20-2,主要弹簧材料及其许用应力,三,.,弹簧材料,:,表20-2 主要弹簧材料及其许用应力三.弹簧材料:,10,注：,1.,按受力循环次数,N,不同，弹簧分为三类：,类,N10,6,；,类,N=10,3,10,5,以及受冲击载荷的场合；,类,N4mm,取下限。,三,.,弹簧材料,:,注：1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：类N106,11,三,.,弹簧材料選擇,:,弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。,三.弹簧材料選擇:弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要,12,四,.,弹簧制造,:,螺旋弹簧的制造工艺过程如下：绕制；钩环制造；端部的制作与精加工；热处理；工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。（,1,）冷卷法：簧丝直径,d8mm,的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧,常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷绕后一,般不再 进行淬火处理，只须低温回火以消除卷绕时的内应力。（,2,）热卷法：簧丝直径较大（,d8mm,）的弹簧则用热卷法绕制。在热,态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。,对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力（见左图所示）比未经强压处理的弹簧小。,四.弹簧制造:螺旋弹簧的制造工艺过程如下：绕,13,五,.,弹簧,工作原理,:,1,、定义：,表征弹簧载荷,F,、,T,与其变形,l,之间关系的曲线，称为弹簧特性线。,2,、载荷与变形：,对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸,长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。,3,、常见类型：,按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：,图,a,直线型图,b,刚度渐增型,图,c,刚度渐减型图,d,混合型,弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。,1,弹簧特性曲線,五.弹簧工作原理:1、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形l之,14,五,.,弹簧,工作原理,:,1,、定义：,弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用,K,和,K,T,分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下：对于拉压弹簧,对于扭转弹簧 其中：,F,-,弹簧轴向拉（压）力；,-,弹簧轴向伸长量或压缩量；,T,-,扭转弹簧的扭矩；,-,扭转弹簧的扭转角。,2,弹簧刚度,五.弹簧工作原理:1、定义：弹簧刚度是指使弹簧产生单位,15,2,、弹簧刚度与弹簧特性的关系,图,a,）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线,越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。图,b,）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大,其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓,冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。图,c,）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大,而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使,用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。,五,.,弹簧,工作原理,:,2、弹簧刚度与弹簧特性的关系图a）所示的直线型弹簧，其,16,六,.,弹簧,參數,:,如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径,d,、弹簧圈外径,D,、弹簧圈内径,D,1,，弹簧圈中径,D,2,，节距,t,、螺旋升角,a,、自由长度,H,0,等。,六.弹簧參數:如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径,17,弹簧参数的计算,弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）,C,是最重要的参数之一。,C,=,D,2,/,d,，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表。,弹簧丝直径,d,（,mm,）,0.2,0.4,0.5,1,1.1,2.2,2.5,6,7,16,18,40,C,7,14,5,12,5,10,4,10,4,8,4,6,六,.,弹簧,參數,:,弹簧参数的计算弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最,18,弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：；弹簧节距,t,一般按下式取：（对压缩弹簧）；,t,=,d,（对拉伸弹簧）；,式中：,max,-,弹簧的最大变形量；,-,最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于,0.1,d,。弹簧钢丝间距：,=,t-d,；弹簧的自由长度：,H,=,n,+(,n,0,-0.5),d,（两端并紧磨平）；,H,=,n,+(,n,0,+1),d,（两端并紧，但不磨平）。,弹簧螺旋升角：，通常,取,5,9,0,。,六,.,弹簧,參數,:,弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：,19,弹簧丝材料的长度：（对压缩弹簧）；,（对拉伸弹簧）；,其中,l,为钩环尺寸。,六,.,弹簧,參數,:,弹簧丝材料的长度：,20,七,.,弹簧,受力分析,:,七.弹簧受力分析:,21,图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力,F,时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩,T,=,FRcos,，弯矩,M,=,FRsin,，切向力,F,Q,=,Fcos,和法向力,N,F,=,Fsin,（式中,R,为弹簧的平均半径）。由于弹簧螺旋角,的值不大（对于压缩弹簧为,6,9,0,）,所以弯矩,M,和法向力,N,可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩,T,和切向力,Q,。,的值较小时，,cos,1,可取,T,=,FR,和,Q,=,F,。这种简化对于计算的准确性影响不大。当拉伸弹簧受轴向拉力,F,时，弹簧丝横剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩,T,和切向力,Q,均为相反的方向。所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。,七,.,弹簧,受力分析,:,图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖,22,七,.,弹簧,強度分析,:,从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝,系数,K,s,可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得到扭应力,式中,K,为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径,七.弹簧強度分析:从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭,23,七,.,弹簧,剛度分析,:,圆柱弹簧受载后的轴向变形量,式中,n,为弹簧的有效圈数；,G,为弹簧的切变模量。这样弹簧的圈数及刚度分别为,对于拉伸弹簧，,n,20,时，一般圆整为整圈数，,n,F,cr,，应重新选择有关参数，改变,b,值，提高,F,cr,的大小，使其大于,F,max,之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装图,b,),、,c,),所示的导杆或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。,七.弹簧穩定性分析:为了便于制造和避免失稳现象出现，通常,26,七,.,受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算,:,对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧，还应该进一步对疲劳强度进行验算。如果变应力的循环次数,N,10,3,，或应力变化幅度不大时，应进行静强度验算。如果上述两种情况不能明确区分时，则应同时进行这两种强度的验算。,七.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:对于循环次数较多、,27,七,.,受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算,:,1,疲劳强度验算,一般受变应力作用的弹簧，其应力变化规律有,max,=,常数和,min,=,常数两种。因此，可根据力学疲劳强度理论与相应计算公式，进行应力幅安全系数、最大应力安全系数的计算。对于弹簧钢丝也可按下述简化公式进行验算,式中，,0,-,弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限（,MPa,），当弹簧材料为碳素钢丝、不锈钢丝、铍青铜丝等材料时，可根据循环次数,N,由表中查取。表,20-4,弹簧材料的脉动疲劳极限,0,注：,1.,经喷丸处理的弹簧，,0,可提高,20%,；,2.,对于硅青铜丝、不锈钢丝，取,0.35,B,。,min,、,max,-,最小、最大切应力（,MPa,）；,F,min,、,F,max,-,最小、最大工作载荷（,N,）；,S,-,许用安全系数，当弹簧计算和材料的性能数据精确度高时，取,1.3,1.7,；精确度较低时，取,1.8,2.2,。,七.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:1疲劳强度验算一,28,七,.,受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算,:,弹簧的静强度安全系数,S,s,的验算式为,式中，,s,-,弹簧材料的屈服极限（,MPa,），其值可按下述数值选取：碳素弹簧钢丝取,s,=0.42,B,，,硅锰合金簧丝取,s,=0.51,B,；,S,s,-,许用安全系数，其值与,S,相同。,2,静强度验算,七,.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:弹簧的静强度安全,29,END,END,30,