彈性元件哈工大

1、例題例題 : 設(shè)計(jì)開傘器中的力彈簧設(shè)計(jì)開傘器中的力彈簧已知條件已知條件(1)釋放力釋放力F釋=27公斤公斤=264.6N(2)沖程沖程S=70mm(3)從壓縮的最大位置到開始沖出，行程從壓縮的最大位置到開始沖出，行程4.3mm (對應(yīng)時(shí)控機(jī)構(gòu)彈簧的行程對應(yīng)時(shí)控機(jī)構(gòu)彈簧的行程)(4)預(yù)緊力預(yù)緊力F0=0.22 F釋(5)套管內(nèi)徑套管內(nèi)徑19mm，選用二根彈簧，力的分配比：，選用二根彈簧，力的分配比：3:1設(shè)計(jì)內(nèi)外彈簧設(shè)計(jì)內(nèi)外彈簧(求參數(shù)，畫特性曲線圖求參數(shù)，畫特性曲線圖)SF自由狀態(tài)自由狀態(tài)預(yù)緊狀態(tài)預(yù)緊狀態(tài)釋放狀態(tài)釋放狀態(tài)工作狀態(tài)（時(shí)控）工作狀態(tài)（時(shí)控）S預(yù)沖程沖程4.3F預(yù)F釋Fmax1326

2、4.6198.454FN釋1198.45 0.2243.66FN預(yù)117019.74SFSFS預(yù)預(yù)預(yù)釋預(yù)112.21FFKN mmS預(yù)預(yù)04.943 . 470max預(yù)ssNsKFF8 .207max1max步驟步驟片彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算片彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算一一. .概況概況金屬薄片制成的、直的或金屬薄片制成的、直的或其它形狀的彈性元件其它形狀的彈性元件 形成形成 結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式單端固定單端固定雙端固定雙端固定類型類型 直片簧直片簧 曲片簧曲片簧無預(yù)緊力無預(yù)緊力有預(yù)緊力有預(yù)緊力s等剛度等剛度變剛度變剛度等截面等截面變截面變截面二二. .片彈簧設(shè)計(jì)片彈簧設(shè)計(jì) 內(nèi)容內(nèi)容材料選擇材料選擇幾何尺寸設(shè)計(jì)幾何尺寸設(shè)計(jì)

3、要求：要求： 靈敏度高、高彈性、恒彈性、靈敏度高、高彈性、恒彈性、彈性后效小、彈性滯后小、彈性后效小、彈性滯后小、強(qiáng)度高、承載大、耐腐蝕、強(qiáng)度高、承載大、耐腐蝕、常用材料：常用材料：彈簧鋼：強(qiáng)度高，承載大彈簧鋼：強(qiáng)度高，承載大錫青銅：靈敏度高，耐腐蝕錫青銅：靈敏度高，耐腐蝕鈹青銅：彈性好，強(qiáng)度高，價(jià)格高鈹青銅：彈性好，強(qiáng)度高，價(jià)格高石英：彈性好，彈性滯后和彈性后效小石英：彈性好，彈性滯后和彈性后效小 材料選擇材料選擇幾何尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算幾何尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算前提條件：前提條件：直片簧、等剛度、單端固定（懸臂梁）直片簧、等剛度、單端固定（懸臂梁）等截面等截面變截面變截面無預(yù)緊力無預(yù)緊力有預(yù)緊力有預(yù)緊力

4、只考慮：只考慮：xss1.1.無預(yù)緊力、等截面無預(yù)緊力、等截面片彈簧設(shè)計(jì)片彈簧設(shè)計(jì)FEbhLs334特性特性強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算26bhxLFxbbhFL2max6LbhFb62max幾何尺寸設(shè)計(jì)幾何尺寸設(shè)計(jì)max232EsLhb2max6hLFbbFmax、smax已知已知L-根據(jù)結(jié)構(gòu)確定根據(jù)結(jié)構(gòu)確定2.2.無預(yù)緊力、變截面無預(yù)緊力、變截面片彈簧分析及設(shè)計(jì)片彈簧分析及設(shè)計(jì)FEbhLs336特性特性強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算26bhFLxbxbhFL2max6LbhFb62max幾何尺寸設(shè)計(jì)幾何尺寸設(shè)計(jì)334EbhFLs強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算26bhxLFxbbhFL2max6LbhFb62max強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算

5、26bhFLxbxbhFL2max6LbhFb62max等截面等截面變截面變截面 比較比較等強(qiáng)度等強(qiáng)度不等強(qiáng)度不等強(qiáng)度特性特性特性特性FEbhLs33max6FEbhLs33max43.3.有預(yù)緊力、等截面有預(yù)緊力、等截面片彈簧分析片彈簧分析例題：例題：設(shè)計(jì)觸點(diǎn)片彈簧，已知觸點(diǎn)間距離設(shè)計(jì)觸點(diǎn)片彈簧，已知觸點(diǎn)間距離S2=2mm，當(dāng)載荷當(dāng)載荷F2=1.5N時(shí)，觸點(diǎn)閉合，載荷作用在時(shí)，觸點(diǎn)閉合，載荷作用在片彈簧端部，片彈簧長度片彈簧端部，片彈簧長度L=40mm，預(yù)加載荷，預(yù)加載荷 F1=0.5N，材料錫青銅。，材料錫青銅。S2S1max232EsLhb2max6hLFbbFF1F1金屬或非金屬薄膜或

6、膜片制成的金屬或非金屬薄膜或膜片制成的圓形（或矩形）彈性元件圓形（或矩形）彈性元件膜片、膜盒的設(shè)計(jì)與計(jì)算膜片、膜盒的設(shè)計(jì)與計(jì)算周邊固定周邊固定結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式形成形成一一. .概況概況平膜片平膜片波紋膜片波紋膜片制造簡單靈敏度高類型類型膜盒組膜盒組膜盒膜盒二二. .工作原理工作原理壓力壓力壓力差壓力差膜片產(chǎn)生變形膜片產(chǎn)生變形剛性中心產(chǎn)生位移剛性中心產(chǎn)生位移s s根據(jù)根據(jù)s s判斷輸入量的大小判斷輸入量的大小測量壓力和壓力差、隔離兩種介質(zhì)測量壓力和壓力差、隔離兩種介質(zhì)三三. .應(yīng)用應(yīng)用電感式壓力傳感器（膜片）電感式壓力傳感器（膜片）電容式壓力傳感器（膜片）電容式壓力傳感器（膜片）感受高度（膜盒）

7、感受高度（膜盒）膜盒膜盒光纖膜片式流速計(jì)光纖膜片式流速計(jì)x反射體反射體發(fā)射發(fā)射光纖光纖接收接收光纖光纖四四. .膜片、膜盒的分析和設(shè)計(jì)膜片、膜盒的分析和設(shè)計(jì)材料選擇材料選擇主要參數(shù)主要參數(shù)尺寸設(shè)計(jì)尺寸設(shè)計(jì)膜片的集中力和有效面積膜片的集中力和有效面積內(nèi)容內(nèi)容金屬材料：金屬材料：黃銅、錫青銅、鋅白銅、鈹青銅、不銹鋼等黃銅、錫青銅、鋅白銅、鈹青銅、不銹鋼等非金屬材料：非金屬材料：橡膠、塑料、石英等橡膠、塑料、石英等 材料選擇材料選擇 主要參數(shù)主要參數(shù)壓力測量范圍：壓力測量范圍：10109Pa膜片直徑：膜片直徑：10300mm金屬：金屬： 0.061.5mm非金屬：非金屬： 0.15mm膜片厚度：膜片

8、厚度：影響靈敏度影響靈敏度尺寸設(shè)計(jì)尺寸設(shè)計(jì) s 膜片的中心位移、膜片的中心位移、p 膜片承受的壓力、膜片承受的壓力、R 膜片工作半徑、膜片工作半徑、h 膜片厚度、膜片厚度、E 材料的彈性模量、材料的彈性模量、 材料的泊松比（金屬材料的泊松比（金屬=0.3 ）hsEhpR2441316特性特性1. 平膜片平膜片輸入輸入輸出輸出線性線性厚度中心hS31小小位移位移4343pRssabEhhh2122 3131ak特性特性1232139 63kb12k k輸入輸入輸出輸出非線性非線性k1、k2 為系數(shù)為系數(shù)2. 波紋膜片波紋膜片 s 膜片的中心位移、膜片的中心位移、p 膜片承受的壓力、膜片承受的壓力

9、、R 膜片工作半徑、膜片工作半徑、h 膜片厚度、膜片厚度、E 材料的彈性模量、材料的彈性模量、 a、b為系數(shù)為系數(shù)3. E型膜片（波紋膜片之一）型膜片（波紋膜片之一）EhDkhkpDs2231421特性特性0142. 06621kk相對靈敏度相對靈敏度221321hDkkhDEDps線性線性輸入輸入輸出輸出 s 膜片的中心位移、膜片的中心位移、p 膜片承受的壓力、膜片承受的壓力、R 膜片工作半徑、膜片工作半徑、h 膜片厚度、膜片厚度、E 材料的彈性模量、材料的彈性模量、 材料的泊松比、材料的泊松比、k1、k2 為系數(shù)為系數(shù)E E型膜片的尺寸型膜片的尺寸：4.橡膠膜片橡膠膜片形成形成:特點(diǎn)特點(diǎn):

10、材料材料:應(yīng)用應(yīng)用:設(shè)計(jì)設(shè)計(jì):橡膠或纖維織物上涂橡膠橡膠或纖維織物上涂橡膠靈敏度高，耐腐蝕，工藝簡單，成本低，彈性模量溫度靈敏度高，耐腐蝕，工藝簡單，成本低，彈性模量溫度系數(shù)大，長時(shí)間工作老化，遇某些有機(jī)介質(zhì)溶漲變形系數(shù)大，長時(shí)間工作老化，遇某些有機(jī)介質(zhì)溶漲變形天然橡膠，合成橡膠天然橡膠，合成橡膠和彈簧組合和彈簧組合承受均布壓力承受均布壓力-根據(jù)一般平膜片計(jì)算公式設(shè)計(jì)根據(jù)一般平膜片計(jì)算公式設(shè)計(jì)中間有纖維織物或形狀復(fù)雜中間有纖維織物或形狀復(fù)雜-根據(jù)廠家給出的數(shù)據(jù)根據(jù)廠家給出的數(shù)據(jù) 或?qū)崪y結(jié)果設(shè)計(jì)或?qū)崪y結(jié)果設(shè)計(jì)3. 物理及工程意義物理及工程意義4. 計(jì)算公式：計(jì)算公式：平膜片：平膜片：204RRA

11、波紋膜片：波紋膜片：20023RRRRA2.有效面積有效面積pFAR 膜片外工作半徑、膜片外工作半徑、R0 剛性中心圓盤半徑剛性中心圓盤半徑線性工作范圍線性工作范圍膜片的集中力和有效面積膜片的集中力和有效面積1.集中力集中力ApF 例題（例例題（例15-3） 一個(gè)膜盒組由三個(gè)直徑等于一個(gè)膜盒組由三個(gè)直徑等于53mm的的E型膜盒組成，當(dāng)壓力由型膜盒組成，當(dāng)壓力由1600Pa增加到增加到97200Pa時(shí)，如要求的總位移為時(shí)，如要求的總位移為6.8mm，求膜片應(yīng)有的厚度，求膜片應(yīng)有的厚度h，工作時(shí)的非線性度及，工作時(shí)的非線性度及承載的安全系數(shù)。膜片的材料為鈹青銅。承載的安全系數(shù)。膜片的材料為鈹青銅。

12、E E型膜盒的相對靈敏度曲線型膜盒的相對靈敏度曲線材料：鈹青銅材料：鈹青銅材鈹材鈹青銅相對靈敏度相對靈敏度EEE E型膜片非線性度曲線及其破壞區(qū)型膜片非線性度曲線及其破壞區(qū)例題例題（習(xí)題（習(xí)題15-5）例題（習(xí)題例題（習(xí)題15-6）15-6 15-6 如圖如圖15-3615-36所示所示E E型膜片，其中心位移型膜片，其中心位移s s和它所承受的壓力和它所承受的壓力p p之間的關(guān)系式之間的關(guān)系式為為 式中式中當(dāng)設(shè)計(jì)膜片時(shí)，如取當(dāng)設(shè)計(jì)膜片時(shí)，如取D/h=100D/h=100，試求其相對靈敏度，試求其相對靈敏度s/Dps/Dp。 EhDkhkpDs)()1 (223142MPaEkk421105

13、.11, 3 . 0,0142. 0,66結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式一端開口一端開口一端封閉一端封閉兩端開口兩端開口多層多層一一. .概況概況波紋管的設(shè)計(jì)與計(jì)算波紋管的設(shè)計(jì)與計(jì)算具有環(huán)形波紋的圓柱薄壁管具有環(huán)形波紋的圓柱薄壁管 形成形成 類型類型基本基本尺寸尺寸基本幾何參數(shù)基本幾何參數(shù)JB/T6169-2006基本基本尺寸尺寸材料材料奧氏體不銹鋼、錫青銅、鈹青銅、黃銅奧氏體不銹鋼、錫青銅、鈹青銅、黃銅二、工作原理：二、工作原理：伸長或縮短伸長或縮短彎曲彎曲橫向力作用下：橫向力作用下：壓力和軸向力作用下：壓力和軸向力作用下：三三. . 特性分析特性分析3. 位移位移nKpAkFs單總1. 剛度剛度nkk單

14、總單波剛度單波剛度波紋數(shù)波紋數(shù)2. 力力pAF 有效面積有效面積22244dDDAm隔離兩種介質(zhì)隔離兩種介質(zhì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥遙控板儀表遙控板儀表四、特點(diǎn)及應(yīng)用：四、特點(diǎn)及應(yīng)用：滯后誤差大，剛度小滯后誤差大，剛度小波紋管聯(lián)軸器波紋管聯(lián)軸器尺寸系列化：表尺寸系列化：表15-10 15-10 選用選用五五. . 波紋管設(shè)計(jì)波紋管設(shè)計(jì)例題（習(xí)題例題（習(xí)題15-7） 圖示為波紋管和彈簧組合機(jī)構(gòu)，其中圖示為波紋管和彈簧組合機(jī)構(gòu)，其中彈簧的參數(shù)為：外徑彈簧的參數(shù)為：外徑D2=10mm，鋼絲直徑，鋼絲直徑 d=1mm，工作，工作圈數(shù)圈數(shù)n=8 ，材料的剪切彈性模量G=8104 MPa，波紋管材料為黃銅，波紋管材料為黃銅，波紋數(shù)波紋數(shù)n1=10，單波剛度單波剛度K1=34.32N/mm，有效面積，有效面積A=1.65cm2 ，試求：，試求：當(dāng)壓力由當(dāng)壓力由0.02MPa升至升至0.1MPa，波紋管端部的位移，波紋管端部的位移S。熱雙金屬彈簧設(shè)計(jì)與計(jì)算（雙金屬