第16章-机械设计-弹簧ppt课件.ppt
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1、第第16章弹章弹 簧簧 16-1弹簧概述弹簧概述 16-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造、圆柱螺旋弹簧的结构、制造、 材料及许用应力材料及许用应力16-5其它弹簧简介其它弹簧简介16-3圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 16-4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算工作特点:工作特点:弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形,弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形, 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的位置控制机构运动或零件的位置; 如凸轮机构、离合器、阀门等;16-1弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型 3.
2、 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 扭转弹簧扭转弹簧 5. 改变系统的自振频率。改变系统的自振频率。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;本章内容本章内容分类分类螺旋弹簧螺旋弹簧 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 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 潘存云教授研
3、制潘存云教授研制16-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力材料及许用应力一、圆柱螺旋弹簧的结构形式一、圆柱螺旋弹簧的结构形式压缩弹簧在自由状态下,各圈之间留有一定间距压缩弹簧在自由状态下,各圈之间留有一定间距 。潘存云教授研制支承圈或死圈支承圈或死圈两端有两端有3/43/45/45/4圈并紧,以使弹簧站圈并紧,以使弹簧站立平直,这部分不参与变形。立平直,这部分不参与变形。不磨平不磨平磨平磨平端部磨平端部磨平重要弹簧重要弹簧端部不磨平端部不磨平 一般用途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:压缩弹簧的总圈数:n1 =
4、 n+(1.52.5)为使工作平稳,为使工作平稳,n1的尾数的尾数取取1/21/2变形用n为有效圈数1.1. 圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 潘存云教授研制2.2. 拉伸弹簧拉伸弹簧(1 1)各圈相互并紧)各圈相互并紧=0=0;(2 2)制作完成后具有初拉力;)制作完成后具有初拉力;(3 3)端部做有拉钩,以便安装)端部做有拉钩,以便安装 和加载。和加载。拉钩形式:拉钩形式:半圆钩环型、圆钩环型、半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。转钩、可调转钩。潘存云教授研制改进后的结构改进后的结构拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。潘存云教授研制特点:结构简单、
5、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:弯曲应力小。适用于变载荷的场,但成本较高。二、弹簧的制造二、弹簧的制造制造过程:制造过程:卷绕、端面加工卷绕、端面加工(压簧压簧)或拉钩制作(拉簧或拉钩制作(拉簧或扭簧)、热处理和工艺性试验。或扭簧)、热处理和工艺性试验。潘存云教授研制冷卷:冷卷:d12 mm,不易淬透,故仅适用于小尺寸的,不易淬透,故仅适用于小尺寸的 弹簧。弹簧。优点:优点:适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧的弹簧。选用原则:选用原则: 充分考虑载荷条件(载荷的大小及性质、工作温充分考虑载荷条件(载荷的大小及性质
6、、工作温度和周围介质的情况)、功用及经济性等因素。一般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。应优先采用碳素碳簧钢丝。2. 弹簧的许用应力弹簧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程度,以及簧丝的尺寸等弹簧按载荷分为三类:弹簧按载荷分为三类:I类弹簧:类弹簧: 受变载荷作用次数受变载荷作用次数106,或很重要的弹簧。或很重要的弹簧。II类弹簧:类弹簧:受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在103 105 ,或受冲击或受冲击 载荷的弹载荷的弹 簧,或受静载荷的重要弹簧。簧,或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧:类弹簧:受变载
7、荷作用次数在受变载荷作用次数在103 ,或受静载荷或受静载荷 的弹簧。的弹簧。潘存云教授研制表表16-1螺旋弹簧的常用材料和许用应力螺旋弹簧的常用材料和许用应力材材 料料名名 称称牌号牌号65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素弹簧碳素弹簧钢丝钢丝, , , 60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC合金弹合金弹簧钢丝簧钢丝类类弹簧弹簧I青铜丝青铜丝类类弹簧弹簧II类类弹簧弹簧III推荐使用推荐使用温度温度/ 推荐硬度推荐硬度范围范围 特性及用途特性及用途 强度高,性能好,强度高,性能好,但尺寸大了不易淬但尺寸大了不易淬透,只适用于小弹透,只适用于小弹
8、簧簧 50CrVA 450 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 750 40300 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 45040120 90100HBS弹性和回火稳定性弹性和回火稳定性好,易脱碳,用于好,易脱碳,用于制造受重载的弹簧制造受重载的弹簧有高的疲劳极限,有高的疲劳极限,弹性、淬透性和回弹性、淬透性和回火稳定性好,常用火稳定性好,常用于承受变载的弹簧于承受变载的弹簧耐腐蚀,耐高温,耐腐蚀,耐高温,适用于做较大的适用于做较大的弹簧弹簧耐腐蚀,防磁好耐腐蚀,防磁好许用切应力许用切应力 / MPa潘存云教授
9、研制组组 别别III、IIaIII钢丝直径钢丝直径 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 1550 1500 1400 1400 1350 12501750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 12
10、00 1150 1150 1100 1350 1250表表16-2碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限节距:节距:t = d + +maxmax 最大变形量。最大变形量。F2为最大载荷通常通常 t t(0.3(0.30.5)0.5)D D2 2 , , =5=59 9间距间距: : maxmax0.80.8n n螺旋升角:螺旋升角:弹簧丝的展开长度弹簧丝的展开长度: :D D2 2 n n1 1coscosL L= =t tD D2 2=tan=tan-1-1自由高度自由高度: :H0=n+(n1+1)d两端并紧不磨平结构:两端并紧不磨平结构:潘存云教授研制HsHsD2H0=n
11、+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构对于两端并紧磨平结构并紧高度:并紧高度: Hs =(n1+1)d(n1-0.5)d一、几何尺寸计算一、几何尺寸计算 maxmaxF2潘存云教授研制H0t t16-3拉伸拉伸(压缩压缩)弹簧的设计计算弹簧的设计计算 表表16-3圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 潘存云教授研制计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名称及代号中径中径D D D D= =CdCd 取标准值取标准值 压缩弹簧厂细比压缩弹簧厂细比b b b b=H0/D2 b在在15.3的范围选取的范围选取自由高度或长度自由高度或长度H0 0有效圈
12、数有效圈数n备备 注注Lh h为钩环展开长度为钩环展开长度两端并紧,磨平;两端并紧,磨平;H0pn+(1.52)d两端并紧,不磨平;两端并紧,不磨平;H0pn+(33.5)dGdGd8(8(F Fmaxmax- -F F0 0) )n=-=-max mmmm内径内径D D1 1 D D1 1= =D D- -d d 旋绕比旋绕比C C C C= =D D/ /d d 外径外径D D2 2 D D2 2= =D D+ +d d H0 =nd+HhHn = H0 +n Hn = H0 + n n 工作变形量工作变形量 n2有预应力的拉伸弹簧有预应力的拉伸弹簧压缩弹簧或压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧无
13、预应力的拉伸弹簧工作高度或长度工作高度或长度H1 1 H1 1 H1 1GdGd8 8F FmaxmaxC C3 3n=-=-max 潘存云教授研制续表续表16-416-4圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名称及代号总圈数总圈数n1 1节距节距 p p=(0.280.5)D p=d 轴向间距轴向间距 = =p p- -d d展开长度展开长度L L螺旋角螺旋角 质量质量ms备备 注注拉伸弹簧拉伸弹簧n1 1尾数为尾数为1/41/4、1/21/2、3/43/4、整圈,推、整圈,推荐用荐用1/21/2圈圈Lh h
14、为钩环展开长度为钩环展开长度对压缩螺旋弹簧,推对压缩螺旋弹簧,推荐用荐用=5 9 为材料的密度,对各种为材料的密度,对各种钢,钢, =7700kg/m=7700kg/m3 3; ; 对铍青铜,对铍青铜,=8100kg/m3 n1 1= =n冷卷:冷卷: n1=n+(22.5)YIIYII型热卷:型热卷: n1=n+(1.52)Dn1 1coscosL L=-=-=tan-1(p/D) L LDn+ +Lh h d2 24 4ms s=-=-L mmmm二、二、 弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线特性曲线特性曲线 载荷载荷-变形曲线变形曲线压缩弹簧的压缩弹簧的特性曲线特性曲线F1.1. 压缩弹簧的特性
15、曲线压缩弹簧的特性曲线F1F2潘存云教授研制Flimarctgarctgk k最小工作载荷最小工作载荷: :Fminmin=(0.10.5)Fmax最大工作载荷最大工作载荷 Fmaxmax在在Fmaxmax的作用下,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。极限载荷极限载荷 FlimlimlimEmaxmaxminmin0 0压缩弹簧的压缩弹簧的特性曲线特性曲线F最小变形最小变形 minmin对应的变形对应的变形maxmax极限变形极限变形 limlim F F0 0时弹时弹簧才开始变形。簧才开始变形。FminFminFmaxFmax潘存云教授研制Fli
16、mFlim潘存云教授研制D2/2潘存云教授研制AABBM=Tsin F 故截面故截面BB上的载荷可近似取为:上的载荷可近似取为: FFF “弹簧受轴向载荷弹簧受轴向载荷F时,作用时,作用在轴向截面在轴向截面AA上的有上的有扭矩扭矩 T=FD2/2轴向力轴向力 F 在法面在法面BB上的力有上的力有横向力横向力 F 轴向力轴向力 F弯矩弯矩 M=Tsin扭矩扭矩 =59 sin0, cos1扭矩扭矩 T=FD2/2FT d BBAA=Fcos=FsinTT=Tcos横向力横向力 F 三、弹簧受载时的应力与变形三、弹簧受载时的应力与变形1. 簧丝受力分析簧丝受力分析 TFT =Tcos 22FDTF
17、扭矩:剪切力:截面受力截面受力剪切应力剪切应力T T 2. 弹簧的应力弹簧的应力扭切应力扭切应力232218DddFD2F4dF232FT48dFdFDTTWTT合成应力合成应力dDC2令CdFC5 .0182FTF FD2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d D2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d F潘存云教授研制D2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d FT TF F F F 162=32dDF328dFDC旋绕比,或弹簧指数。旋绕比,或弹簧指数。dF F F F 潘存云教授研制dK KT T未考虑簧丝曲率的应力 由于由于0.5/C远小于远小于1,故由,故由F引起的剪切应力可忽略。引起的剪切应力可忽略。若考虑螺旋升角
18、和簧丝曲若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响,实际应率对应力集中的影响,实际应力分布与理论分析有差别。力分布与理论分析有差别。2285 .0+18=dFCCdFC28dFCD(min) 0.20.4 0.451 1.12.2 2.56 716 1842 C=D2/d 714 512 510 49 48 46表表16-常用旋绕比常用旋绕比C 实践证明,弹簧内侧实践证明,弹簧内侧m点最容点最容易产生破坏。易产生破坏。mm潘存云教授研制1.61.51.41.31.21.11.0C=D2 /2曲度系数曲度系数K3 4 5 6 7 82010121416918弹簧的曲度系数弹簧的曲度系数 强度条件强
19、度条件8=2dFCKCCCK615.0+4414=其中设计公式设计公式6.1KFCd 其值可直接查表下表可得引入系数引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响,得来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响,得3. 弹簧的变形弹簧的变形d00422d8=d=ttsdGFD4328=GdnFDFk在轴向载荷的作用下,弹簧产生轴向变形,取微段分析D2/2微段轴向变形量微段轴向变形量d d C kC值过小值过小制造困难,内侧应力制造困难,内侧应力;常用值常用值 C=58 。 C值过大值过大弹簧容易颤动。弹簧容易颤动。dD2F422d8=dGsFDGdnFC38nDGd3248nCGd38n为有效圈数G-材料的切变模
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