机械设计基础 教学课件 作者 李建功 第15章 弹簧.ppt

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1、第十五章弹簧§15-1概述§15-2圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造§15-3圆柱螺旋弹簧的设计计算§15-1概述§15-1概述一、弹簧的功用弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。二、弹簧的分类按弹簧承受的载荷分：拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧按弹簧的形状分：螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。弹簧的主要功用有：控制机构的运动、缓冲和减振、储存能量、测力以及改变机器的自振频率等。螺旋弹簧碟形弹簧板簧盘簧

2、等环形弹簧各类弹簧（详见表15－1）三、弹簧特性线弹簧特性线：是表示弹簧载荷和变形之间关系的曲线。概述2弹簧刚度：弹簧产生单位变性所需要的载荷。在数值上，弹簧刚度等于弹簧特性线上某点的斜率。弹簧特性线有：直线型、刚度渐增型、刚度渐减型或几种的组合。概述弹簧刚度式中：F－弹簧所受的载荷（N）；λ－弹簧的变性量（mm）。直线型特性线弹簧具有不变的刚度；非直线性特性线弹簧具有变刚度，称为变刚度弹簧。§15-2圆柱螺旋弹簧的结构材料制造1§15-2圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造一、圆柱螺旋弹簧的结构圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧详细介绍

3、详细介绍螺旋弹簧的结构材料制造2圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造二、弹簧的材料及许用应力为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件(载荷性质、大小及循环特性、工作持续时间、工作温度等)以及加工、热处理和经济性等因素。1）碳素弹簧钢(如65、70钢)：价格便宜，但弹性极限低；低锰弹簧钢(如65Mn)：淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹；硅锰弹簧钢(如60Si2MnA)：弹性极限高，回火稳定性好；铬钒钢(如50CrVA)：耐

4、疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的场合。2）合金弹簧钢3）特殊钢、铜合金和非金属材料等（详见表15－2）三、圆柱螺旋弹簧的制造卷制→挂钩的制作或端面圈的精加工→热处理→工艺试验及强压处理。螺旋弹簧的制造工艺包括：圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造弹簧材料的许用应力与弹簧的类型、材料的力学性能、簧丝直径和载荷性质等有关，见表15－2。卷制分为：冷卷：用于簧丝直径d＜8～10mm的弹簧。热卷：卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。强压处理可以提高弹簧的承载能力。螺旋弹簧的结构材料制造3§15-3圆柱螺旋弹簧的设计计算1一、几何参数计算

5、§15-3圆柱螺旋弹簧的设计普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：压缩弹簧拉伸弹簧外径D中径D2内径D1节距t螺旋升角弹簧丝直径d有效圈数n总圈数n1自由高度或长度H0旋绕比C＝D2/d圆柱螺旋弹簧计算2圆柱螺旋弹簧的设计计算二、圆柱螺旋弹簧的承载过程在弹簧的工作图中，应绘制弹簧特性线描述弹簧的承载过程。拉伸弹簧特性线压缩弹簧特性线圆柱螺旋弹簧的几何尺寸公式见表15－4。Fmin－安装时弹簧所受的力，称为弹簧的最小载荷。Fmax－工作中弹簧所受的最大工作载荷。Fj－使簧丝内应力达到弹性极限的载荷，称为弹簧的极限载荷。Fmin、Fmax、Fj作

6、用下弹簧的高度或长度分别用H1、H2、H3表示。相应的变形量分别用λmin、λmax、λj表示。显然有通常，取Fmin=（0.1～0.5）Fmax；取Fmax≤0.8Fj。圆柱螺旋弹簧计算3圆柱螺旋弹簧的设计计算三、强度计算圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的截面上主要受到横向剪力F和扭矩T=FD2/2。下面以压缩弹簧承受轴向载荷的情况进行分析。由于螺旋弹簧的簧丝是曲杆，受轴向载荷F作用时，将在簧丝内侧产生最大切应力。式中：K—曲度系数；C—旋绕比，见表15－5。圆柱螺旋弹簧计算5圆柱螺旋弹簧的设计计算强度条件：设计式：四、变形计算圆截面簧丝

7、螺旋弹簧在轴向载荷F作用下，所产生的变形量为：最大工作载荷Fmax作用下的变形量λmax：压缩弹簧和无初应力的拉簧：圆柱螺旋弹簧计算6圆柱螺旋弹簧的设计计算有初应力的拉簧：弹簧的有效圈数n：压缩弹簧和无初应力的拉簧：有初应力的拉簧：弹簧的刚度c：五、稳定性计算如果螺旋压缩弹簧的高度过大，在轴向载荷F作用下，可能会产生侧弯失稳。圆柱螺旋弹簧计算7圆柱螺旋弹簧的设计计算为避免失稳，应按表15－6选择高径比b=H0/D2。四、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算设计方法和步骤:1)根据工作情况及具体条件选定材料；2)选择旋绕比C，通常可取C≈5~8

8、，并算出补偿系数K值；3)根据安装空间初设弹簧中径D，由C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力；4)试算弹簧丝直径d′5)根据变形条件求出弹簧工作圈数：对于有预应力的拉伸弹