機械設計B彈簧PPT學習教案

1、會計學1 機械設計機械設計B彈簧彈簧 本章內容本章內容 分類分類 螺旋彈簧螺旋彈簧 圓柱形圓柱形 截錐形截錐形 按形狀分按形狀分 按受載分按受載分 拉伸彈簧拉伸彈簧 壓縮彈簧壓縮彈簧 扭轉彈簧扭轉彈簧 環(huán)形彈簧環(huán)形彈簧 平面渦圈彈簧平面渦圈彈簧 儀表中儲能用 板彈簧板彈簧 碟形彈簧碟形彈簧 第1頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云設計：潘存云 2 3 2 2 1 8 D d d FD T 一、彈簧的應力一、彈簧的應力 已知條件如圖已知條件如圖 。 18-2 圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應力與變形圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應力與變形 D2 d T F F 2 2 FD T F 扭矩： 剪切力： 截

2、面受力截面受力 ： 剪切應力剪切應力 ： 剪切應力剪切應力 ： 2 4 d F 23 2 48 d F d FD F F T W T 16 2 3 2 d DF 3 2 8 d FD D2 /2 彈彈 簧簧 軸軸 線線 d D2 /2 彈彈 簧簧 軸軸 線線 d ” F ” D2 /2 彈彈 簧簧 軸軸 線線 d 第2頁/共23頁 設計：潘存云設計：潘存云 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 C=D2 /2 曲度系數曲度系數 K 3 4 5 6 7 82010 121416918 C-旋繞比，或彈簧指數。旋繞比，或彈簧指數。 -彈簧的曲度系數彈簧的曲度系數 強度條件強度條件

3、 ： d D C 2 令 Cd FC5 . 0 1 8 2 8 2 d FC K 截面總切應力：截面總切應力： d ” 未考慮簧絲 曲率的應力 d ” CC C K 615.0 44 14 其中 設計公式設計公式 ： 6.1 KFC d 其實質是一個修正系數，其值可直接查表下表可得 CC C615.0 44 14 精確分析可得如下公式： 第3頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云 二、彈簧的變形二、彈簧的變形 d t t ds dG FD d 0 0 4 2 2 8 4 3 2 8 Gd nFD F k 在軸向載荷的作用下，彈簧產生軸向變形，取微段分析 D2/2 微段軸向變形量微段軸向變形量

4、d： C k C值過小值過小 制造困難，內側應力制造困難，內側應力； 取值范圍：取值范圍：C=416 C值過大值過大 彈簧容易顫動。彈簧容易顫動。 d D2 F F 4 2 2 8 dG dsFD d D d 2 2 Gd nFC 3 8 nD Gd 3 2 4 8 nC Gd 3 8 n為有效圈數 鋼：鋼：G=8104 Mpa, 青銅：青銅：G=4104 Mpa G-材料的切變模量： 根據材料力學有關圓柱 螺旋彈簧變形的計算公式 T T O ds O 第4頁/共23頁 設計：潘存云 一、彈簧的制造一、彈簧的制造 18-3 彈簧的制造、材料和許用應力彈簧的制造、材料和許用應力 二、彈簧的材料二

5、、彈簧的材料 制造過程：制造過程：卷繞、端面卷繞、端面 加工加工(壓簧壓簧)或拉鉤制作（或拉鉤制作（ 拉簧或扭簧）、熱處理拉簧或扭簧）、熱處理 和工藝性試驗。和工藝性試驗。 冷卷：冷卷：d12 mm，不易淬透，故僅適用于小尺寸，不易淬透，故僅適用于小尺寸 的的 彈簧。彈簧。 優(yōu)點：優(yōu)點：適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較 高高 的彈簧。的彈簧。 選用原則：選用原則： 充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質、工作溫度和充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質、工作溫度和 周圍介質的情況）、功用及經濟性等因素。一般應優(yōu)周圍介質的情況）、功用及經濟性等因素。一般應優(yōu)

6、先采用碳素碳簧鋼絲。先采用碳素碳簧鋼絲。 第6頁/共23頁 三、彈簧的許用應力三、彈簧的許用應力 彈簧的許用應力主要取決材料品質、熱處理方法、載荷性 質、彈簧的工作條件和重要程度，以及簧絲的尺寸等 彈簧按載荷分為三類：彈簧按載荷分為三類： I類彈簧：類彈簧： 受變載荷作用次數受變載荷作用次數106，或很重要的彈簧?；蚝苤匾膹椈?。 II類彈簧：類彈簧：受變載荷作用次數在受變載荷作用次數在103 105 ，或受沖擊或受沖擊 載荷的彈載荷的彈 簧，或受靜載荷的重要彈簧?；?，或受靜載荷的重要彈簧。 III類彈簧：類彈簧：受變載荷作用次數在受變載荷作用次數在103 ，或受靜載荷的或受靜載荷的 彈簧。彈

7、簧。 第7頁/共23頁 表表181 螺旋彈簧的常用材料和許用應力螺旋彈簧的常用材料和許用應力 材材 料料 名名 稱稱 牌號牌號 65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素彈簧碳素彈簧 鋼絲鋼絲, , , 60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC 合金彈合金彈 簧鋼絲簧鋼絲 類類彈簧彈簧 I 青銅絲青銅絲 類類彈簧彈簧 II 類類彈簧彈簧 III 推薦使用推薦使用 溫度溫度 推薦硬度推薦硬度 范圍范圍 特性及用途特性及用途 強度高，性能好，強度高，性能好， 但尺寸大了不易淬但尺寸大了不易淬 透，只適用于小彈透，只適用于小彈 簧?；?。 50CrVA 450

8、 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 750 40300 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 450 40120 90100HBS 彈性和回火穩(wěn)定性彈性和回火穩(wěn)定性 好，易脫碳，用于好，易脫碳，用于 制造受重載的彈簧制造受重載的彈簧 。 有高的疲勞極限，有高的疲勞極限， 彈性、淬透性和回彈性、淬透性和回 火穩(wěn)定性好，常用火穩(wěn)定性好，常用 于承受變載的彈簧于承受變載的彈簧 耐腐蝕，耐高溫耐腐蝕，耐高溫 ，適用于做較大，適用于做較大 的彈簧的彈簧 耐腐蝕，防磁好耐腐蝕，防磁好 許用切應力許用切應力 / MPa 第8

9、頁/共23頁 組組 別別 I II、IIa III 鋼絲直徑鋼絲直徑 d/ mm 0.2 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 8.0 2700 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 1250 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 140

10、0 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250 表表182 碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限 第9頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云 18-4 圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的設計圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的設計 一、結構尺寸和特性曲線一、結構尺寸和特性曲線 1. 1. 壓縮彈簧的結構尺寸壓縮彈簧的結構尺寸 壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距 。 支承圈或死圈支承圈或死圈-兩端有兩端有3/43/45/45/4圈并緊，以使彈簧圈并緊，以使彈簧 站立平直，這部分不參與變形。站立平直，這部分不參與變形

11、。 不磨平不磨平 磨平磨平 端部磨平端部磨平-重要彈簧重要彈簧 端部不磨平端部不磨平- - 一般用途一般用途 磨平長度不小于3/4圈，端部厚度近似為d/4 d/4 壓縮彈簧的總圈數壓縮彈簧的總圈數 ： n1 = n+(1.52.5) 為使工作平穩(wěn)，為使工作平穩(wěn)， n1的尾數取的尾數取1/21/2 變形用 n為有效圈數 第10頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云 設計：潘存云 節(jié)距：節(jié)距：t = d + + 式中式中2 2為最大工作載荷為最大工作載荷F2作用作用 時的變形量。時的變形量。 通常通常 t(0.3t(0.30.5)0.5)D D2 2 , , =5=59 9 間距間距: : 2

12、2 0.8n0.8n F2 螺旋升角：螺旋升角： 彈簧絲的展開長度彈簧絲的展開長度: : D D2 2 n n1 1 coscos L=L= t t D D2 2 =arctg=arctg 自由高度自由高度: : H0=n+(n1+1)d H0=n+(n1-0.5)d 對于兩端并緊磨平結構對于兩端并緊磨平結構 H0 t t 彈簧的并緊高度：彈簧的并緊高度： Hs = (n1+1)d (n1-0.5)d 兩端并緊不磨平結構：兩端并緊不磨平結構： HsHs D2 第11頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云 設計：潘存云 當當b大于許用值時，彈簧工作時會彎曲而失穩(wěn)大于許用值時，彈簧工作時會彎曲而

13、失穩(wěn) 。 措施：措施：內部加裝導向桿、或外部加導向套。內部加裝導向桿、或外部加導向套。 注意：與彈簧之間的間隙不能太大，工作時需加潤滑油。 加裝導向桿加裝導向桿 b= H0 / D D2 2高徑比：高徑比： 5.3 3.7 兩端固定的彈簧兩端固定的彈簧 一端固定，另一端鉸支的彈簧一端固定，另一端鉸支的彈簧 加裝導向套加裝導向套 失穩(wěn)失穩(wěn) 第12頁/共23頁 設計：潘存云 2. 2. 壓縮彈簧的特性曲線壓縮彈簧的特性曲線 特性曲線特性曲線- - 載荷載荷變變形曲線形曲線 壓縮彈簧的壓縮彈簧的 特性曲線特性曲線 F1 F2Flim F 第13頁/共23頁 設計：潘存云 arctgarctgk k

14、最小工作載荷最小工作載荷: : F F1 1=（0.20.5）F2 最大工作載荷最大工作載荷- - F F2 2 在在F F2 2的作用下，的作用下，max max 彈簧在安裝位置所受壓 力，它能使彈簧可靠地 穩(wěn)定在安裝位置上。 極限載荷極限載荷- - F Flim lim lim E 2 2 1 1 0 0 壓縮彈簧的壓縮彈簧的 特性曲線特性曲線 F F1 F2Flim H2 Hlim H1 最小變形最小變形- - 1 1 對應的變形對應的變形- - 2 2 極限變形極限變形- - lim lim 0.8n 保證不并緊 彈簧剛度彈簧剛度 ： 彈簧勢能彈簧勢能 E E F1 F2 Flim H

15、 0 自由高度自由高度 常數 0 12 2 2 1 1 FFFF k 第14頁/共23頁 3. 3. 拉伸彈簧的結構特點拉伸彈簧的結構特點 a) a) 各圈相互并緊各圈相互并緊=0=0； b) b) 制作完成后具有初拉力制作完成后具有初拉力 ； c) c) 端部做有拉鉤，以便安裝和加載。端部做有拉鉤，以便安裝和加載。 拉鉤形式：拉鉤形式：半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、 轉鉤、可調轉鉤。轉鉤、可調轉鉤。 改進后的結構改進后的結構 拉伸彈簧的結構尺寸計算與壓縮彈簧相同。拉伸彈簧的結構尺寸計算與壓縮彈簧相同。 特點：結構簡單、制造容易、但彎曲應力 大。應用于中小載荷與不重要的場合。 特

16、點：彎曲應力小。適用于變載荷 的場，但成本較高。 第15頁/共23頁 二、彈簧設計計算步驟二、彈簧設計計算步驟 設計要求設計要求 ： 有足夠的強度有足夠的強度 符合符合載荷載荷-變形變形曲線的要求曲線的要求（剛度要求）（剛度要求） 不發(fā)生側彎不發(fā)生側彎( (失穩(wěn)失穩(wěn)) ) 已知條件：已知條件：最大工作載荷最大工作載荷F2和相應的變形和相應的變形2 2，其他其他 要求（如工作溫度、安裝空間的限制等要求（如工作溫度、安裝空間的限制等 ） 計算步驟：計算步驟： 1)1)選擇彈簧材料及結構形式選擇彈簧材料及結構形式 3)3)求應力：求應力： 5)5)確定彈簧的圈數確定彈簧的圈數n n； Cd FC5.

17、0 1 8 2 2)2)計算彈簧剛度：計算彈簧剛度：k= k= F2/ / 2 2 6.1 KFC d 4)4)求簧絲直徑：求簧絲直徑： 6)6)確定彈簧的結構尺寸確定彈簧的結構尺寸 第16頁/共23頁 設計：潘存云 設計：潘存云 設計：潘存云 18-5 其他彈簧簡介其他彈簧簡介 一、圓柱螺旋扭轉彈簧一、圓柱螺旋扭轉彈簧 端部結構端部結構: 特點：特點：外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。 作用：作用：用于壓緊和儲能，如門的自動復位、電機中保用于壓緊和儲能，如門的自動復位、電機中保 持電刷的接觸壓力等。持電刷的接觸壓力等。 第17頁/共23頁 設計：潘存云

18、32 3 1 d M K W M K 1 3 32 44 14 d M C C EI Ml 當力矩為當力矩為M時，若時，若很小，則可認為扭簧只承受彎矩。很小，則可認為扭簧只承受彎矩。 強度條件強度條件 ： 扭轉變形扭轉變形 ： W-截面系數截面系數 1.25 E-材料的彈性模量，材料的彈性模量，I-彈簧絲截面的慣性矩，彈簧絲截面的慣性矩， D2-彈簧的中徑，彈簧的中徑， n-彈簧的有效圈數。彈簧的有效圈數。 M M M M 扭轉彈簧的載荷扭轉彈簧的載荷 rad EI nMD2 第18頁/共23頁 1）對于精度高的扭轉彈簧，圈與圈之間應對于精度高的扭轉彈簧，圈與圈之間應留有間隙留有間隙， 以免載

19、荷作用下，因摩擦而影響其特性曲線。以免載荷作用下，因摩擦而影響其特性曲線。 2）扭轉彈簧的扭轉彈簧的旋向應與外加力矩一致旋向應與外加力矩一致。彈簧內側的。彈簧內側的 最大工作應力（壓）與卷繞產生的殘余應力（拉）反最大工作應力（壓）與卷繞產生的殘余應力（拉）反 向（抵消），從而提高承載能力。向（抵消），從而提高承載能力。 3）心軸和彈簧內徑之間必須留有間隙。避免因心軸和彈簧內徑之間必須留有間隙。避免因D2減減 小而抱軸。小而抱軸。 設計要點：設計要點： 第19頁/共23頁 設計：潘存云 1234 O F y /t 二、碟形彈簧二、碟形彈簧 結構特點：結構特點：用鋼板沖制而成，外形象碟子。用鋼板沖制而成，外形象碟子。往往將多個組合使用 載荷、變形：載荷、變形：軸向力沿周邊均勻分布、軸向力沿周邊均勻分布、h變小而產生軸向變形。變小而產生軸向變形。 特性曲線：特性曲線：呈非線性，變形取決于比值呈非線性，變形取決于比值h/t變化。變化。 重要特性：重要特性：當當h/t1.5時，中間一段接近于水平。時，中間一段接近于水平。 利用這一特性可在一定變形范圍內保持載荷的恒定。例如在精密 儀器中，可利用碟形彈簧