第12章-彈性元件

第12章彈性元件彈簧的應(yīng)用彈簧的應(yīng)用12.1概述

12.1.1基本概念和功用彈性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，外力去除后能恢復(fù)原狀的性能，稱為材料的彈性。

彈性元件：利用材料彈性性能和結(jié)構(gòu)特點完成各種功能的零部件稱為彈性元件概念主要功用1)測力例如彈簧秤中的彈簧、測力矩扳手的彈簧等。2)產(chǎn)生振動例如振動篩、振動傳輸機中的支承彈簧等。3)儲存能量例如鐘表彈簧(發(fā)條)、槍栓彈簧等。4)緩沖和吸振例如各種車輛的減振彈簧和各種緩沖器中的彈簧。5)控制機械運動例如內(nèi)燃機氣缸的閥門彈簧和離合器中的控制彈簧。6)改變機械的自振頻率例如用于電機和壓縮機的彈性支座。7)消除空回和配合間隙例如各種微動裝置中用以消除空回的壓縮彈簧。12.1.1基本概念和功用常見類型（1）按結(jié)構(gòu)特點分類1）片簧：金屬薄片制成的片狀彈性元件2）平卷簧：帶材繞制成的平面螺線形彈性元件3）螺旋彈簧：金屬材料制成的空間螺旋形彈性元件4）彈簧管：薄壁管制成的圓弧形中空管狀彈性元件5）波紋管：圓柱形薄壁筒制成得帶有環(huán)狀波紋的彈性元件6）膜片：圓形薄片制成的彈性元件12.1.2常用彈性元件的分類和特點（2）按照用途分類

1)測量彈性元件：用來把某些物理量（如力、壓力、溫度等）轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形，以便進行測量。例如，測量氣體、液體壓力的膜盒（由兩片對扣在一起的膜片組成）。2)力彈性元件：

用來作為傳動系統(tǒng)的能源或者完成結(jié)構(gòu)的力封閉（3）根據(jù)所承受的載荷分類

拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧彎曲彈簧（4）根據(jù)使用的彈性材料

金屬彈簧（圓柱螺旋彈簧）非金屬彈簧（橡膠彈簧、空氣彈簧）12.1.2常用彈性元件的分類和特點彈簧材料要求

較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌性和良好的熱處理性能。

12.1.3常用彈性元件材料及其特點碳素彈簧鋼合金彈簧鋼有色金屬合金1、金屬材料材料橡膠塑料石英陶瓷空氣2、非金屬材料

常用材料的性能見表12-l

12.1.4彈性元件的許用應(yīng)力根據(jù)變載荷的作用次數(shù)以及彈簧的重要程度將彈簧分為三類：（1）I類——受變載荷作用的次數(shù)在106。次以上或很重要的彈性元件如內(nèi)燃機氣門彈簧、電磁制動器彈簧等。（2）II類——受變載荷作用的次數(shù)在103～105次以上及受沖擊載荷的彈性元件，如調(diào)速器彈簧、一般車輛彈簧等。（3）III類——受變載荷作用次數(shù)在105次以下，即基本受靜載荷的彈性元件，如一般安全彈簧、摩擦式安全離合器彈簧等。

彈性元件的許用應(yīng)力不僅與材料的種類有關(guān)，也與材料的質(zhì)量、熱處理方法、載荷性質(zhì)、彈簧鋼絲的尺寸有關(guān)。碳素彈簧鋼（65、70鋼）12.1.4彈性元件的許用應(yīng)力

作用在彈性元件上的力、壓力或溫度等工作載荷與變形量之間的關(guān)系，稱為彈性元件的特性。基本特性解析式：＝f(F)(p,t)12.2彈性元件的基本特性12.2.1彈性元件的基本特性特性曲線：直線型、曲線型彈性元件的特性曲線與理想直線之間的最大偏差和彈性元件的最大變形之間的百分比為彈性元件的最大非線性誤差，定義為彈性元件的非線性度。如果彈性元件的變形和載荷之間線性關(guān)系，則彈性元件的非線性度為零。

12.2.1彈性元件的基本特性并聯(lián)系統(tǒng)剛度：使彈簧產(chǎn)生單位變形量的載荷彈性元件具有線性特性時，其剛度為常數(shù)，即串連系統(tǒng)剛度等于每個元件剛度之和

剛度的倒數(shù)為柔度，則串聯(lián)彈性元件組成系統(tǒng)的柔度等于每個元件的柔度之和

12.2.2影響彈性元件特性的因素由特性解析式得,如圓柱螺旋彈簧的特性式：1、幾何尺寸參數(shù)的影響

螺旋彈簧的特性與其幾何尺寸和參數(shù)(D、d、n)有關(guān)

可以采用調(diào)整的方法予以消除。如調(diào)節(jié)彈簧的工作圈數(shù)n12.2.2影響彈性元件特性的因素2、溫度的影響

彈性元件的特性還與材料的切變模量有關(guān)

采用溫度系數(shù)值極小的材料，或采用補償?shù)姆椒?，用具有正溫度系?shù)的彈性材料減小影響3、彈性滯后和彈性后效的影響

彈性滯后彈性后效原因比較復(fù)雜，可通過選取較大的安全系數(shù)、合理選定結(jié)構(gòu)和元件的連接方法(減小應(yīng)力集中)、采用特殊合金等以減小彈性滯后和彈性后效。12.3螺旋彈簧

12.3.1螺旋彈簧的功能和特點

螺旋彈簧是用金屬線材繞制成空間螺旋線形狀的彈性元件。用來將沿軸線方向的力或垂直于軸線平面內(nèi)的力矩轉(zhuǎn)換為彈簧兩端的相對位移(沿軸線方向的軸向位移或垂直于軸線的平面上的角位移)；或者將兩端的相對位移轉(zhuǎn)換為作用力或力矩。螺旋彈簧簧絲的截面通常是圓形或矩形，也有方形和菱形的。

圓柱形螺旋彈簧的型式（依載荷作用方式）（1）拉伸彈簧－L型：承受沿軸向的拉力作用

（2）壓縮彈簧－Y型：承受沿軸向的壓力作用（3）扭轉(zhuǎn)彈簧－N型：承受繞軸線的扭轉(zhuǎn)力矩的作用12.3.1螺旋彈簧的功能和特點12.3.2螺旋彈簧的制造工藝

制造過程包括：卷繞、兩端面加工或鉤環(huán)制作、熱處理和工藝性試驗等

簧絲直徑小于10mm時，常用冷卷法。并經(jīng)低溫回火消除內(nèi)應(yīng)力。彈簧熱卷后須經(jīng)淬火和回火處理。重要的壓縮彈簧，為保證兩端支承面與軸線垂直，應(yīng)將端面圈磨平。對拉伸和扭轉(zhuǎn)彈簧，兩端應(yīng)制有鉤環(huán)或桿臂。為了提高彈簧的承載能力，可以在卷制后進行強壓處理,不允許再進行熱處理，也不宜在高溫、變載荷以及腐蝕性環(huán)境工作。對承受交變載荷的彈簧，可以采用噴丸處理以提高其疲勞強度和壽命。彈性元件必須進行時效處理12.3.3圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)特點和基本幾何參數(shù)

1、圓柱螺旋壓縮彈簧自由狀態(tài)下各圈之間應(yīng)有適當(dāng)間距在最大載荷作用下應(yīng)留有一定的間隙

兩端各有3/4～7/4圈并緊，稱為支承圈或死圈。當(dāng)彈簧的工作圈數(shù)不大于7時，每端的支承圈數(shù)約為3／4；當(dāng)工作圈數(shù)大于7時，每端的支承圈數(shù)約為l～7／4。在受變載荷作用的重要場合，應(yīng)該采用并緊磨平端面，死圈的磨平長度應(yīng)不小于一圈彈簧圓周長度的1／4，末端厚度約為0.25d。

1、圓柱螺旋壓縮彈簧12.3.3圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)特點和基本幾何參數(shù)2、圓柱螺旋拉伸彈簧空載時彈簧各圈并攏。無預(yù)應(yīng)力的彈簧受力時各圈之間產(chǎn)生間隙；有預(yù)應(yīng)力的彈簧各圈之間有一定的壓緊力，只有在外加拉力大于壓緊力后各圈才開始分離，因而可以節(jié)省彈簧的軸向工作空間。

鉤環(huán)的結(jié)構(gòu)形式如圖12.9

圖12.8拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)圖12.9拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)12.3.3圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)特點和基本幾何參數(shù)圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表12-2。彈簧中徑D與簧絲直徑d之比稱為彈簧的旋繞比C=D/d，又稱彈簧指數(shù)。

其他條件相同時，C值太小，卷繞時彈簧絲受到強烈彎曲，簧絲內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力差懸殊，材料利用率降低；反之，C值過大，應(yīng)力過小，彈簧卷制后將有顯著回彈。通常情況下C=5～8，也可以參照表12-3進行選用。表12-3旋繞比C的薦用值d/mm0.2~0.40.45~11.1~2.22.5~67~16C=D/d7~145~125~104~94~8旋繞比12.3.4圓柱螺旋彈簧的特性和應(yīng)力1、圓柱螺旋彈簧的特性線2、圓柱螺旋彈簧的強度和剛度計算（1）壓縮彈簧

強度和剛度計算

穩(wěn)定性計算（2）拉伸彈簧（3）扭轉(zhuǎn)彈簧12.3.5圓柱螺旋彈簧的設(shè)計計算例12-1設(shè)計一個具有初應(yīng)力的圓柱螺旋拉伸彈簧。已知彈簧作一般用途且不經(jīng)常工作；當(dāng)彈簧變形量為6.5mm時，拉力=180N；當(dāng)變形量為17mm時，拉力；限制彈簧外徑不大于16mm，自由高度不大于l00mm。

解：（1）首先選擇材料：作一般用途，屬第Ⅲ類彈簧，可以選用Ⅱ組碳素彈簧鋼絲。（2）初定彈簧中徑和簧絲直徑(盡量選用標(biāo)準(zhǔn)值)：限制彈簧外徑不大于16mm，同時彈簧的旋繞比通常不小于4，所以簧絲直徑應(yīng)不大于3mm；初步選定彈簧中徑D=12mm，并假定三種不同的簧絲直徑d=2.5mm、2.8mm、3mm，采用列表法進行計算比較。假設(shè)彈簧端部采用整圈鉤環(huán)的型式。

圓柱螺旋彈簧的設(shè)計任務(wù)

已知：彈簧的最大工作載荷、最大工作變形以及結(jié)構(gòu)和工作條件（如安裝空間、載荷性質(zhì)）

求：彈簧的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計中既要保證有足夠的強度，又要符合載荷變形特性曲線的要求，不失穩(wěn)，工作可靠；優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)彈簧。12.3.5圓柱螺旋彈簧的設(shè)計計算圓柱螺旋壓縮彈簧特性線強度計算剛度計算穩(wěn)定性計算結(jié)構(gòu)尺寸計算圓柱螺旋拉伸彈簧種類無初拉力有初拉力F0彈簧圈數(shù)拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧受轉(zhuǎn)矩T作用后的扭轉(zhuǎn)變形彈簧圈數(shù)12.4游絲

12.4.1游絲的種類、要求和材料

游絲是用帶料繞制成的平面螺線形狀的彈性元件。

根據(jù)用途不同，游絲可分為測量游絲和接觸游絲兩種。

測量游絲在儀表中是作為測量元件的。例如在電表中，用游絲的反力矩來平衡電磁力矩，即通過它把力矩轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)角，從而測量電流或電壓值。

又例如，在機械式鐘表中，游絲和擺輪組成機械振蕩系統(tǒng)，按其振蕩周期來計時。接觸游絲主要用于百分表、壓力表等儀表中。在這些儀表的指針軸上施加單方向的游絲力矩，使齒輪、杠桿傳動機構(gòu)總能保持單方向接觸，消除回差。種類要求7條：彈性特性合適、滯后和后效小、溫度敏感性低、防磁和抗蝕性好、重心位置準(zhǔn)、圈間距離相等、電阻系數(shù)小測量游絲要求較高材料：錫青銅（QSn4-3）、鈹青銅（Qbe2）、恒彈性合金（Ni42CrTi）、不銹鋼、黃銅、銅鋅鑷合金12.4.1游絲的種類、要求和材料游絲的結(jié)構(gòu)－游絲端部的固定方法第四節(jié)游絲12.4.2游絲的結(jié)構(gòu)游絲工作時，其外端固定不動，內(nèi)端隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。所以，游絲扭緊時，靠固定端的一邊外徑大小不變，間距也變化較小，而在與固定端相對的一邊外徑則將縮小，間距也減小，工作轉(zhuǎn)角大時，可能出現(xiàn)貼圈現(xiàn)象。圖為手表游絲的外端固定結(jié)構(gòu)簡圖.游絲外端固定在外樁3上，再用螺釘將外樁固定在小夾板上。當(dāng)調(diào)快慢針1的位置時，可改變快慢夾2夾游絲的位置，從而改變游絲的工作長度，即改變其剛度.12.4.3游絲的特性游絲的設(shè)計－標(biāo)準(zhǔn)游絲－國家標(biāo)準(zhǔn)（GB12159-90）－非標(biāo)準(zhǔn)游絲－設(shè)計與計算

已知：原始數(shù)據(jù)通常為最大（小）游絲力矩M2（M1）和最大（?。┯谓z轉(zhuǎn)角2（1），以及游絲的用途和安裝空間。

求：游絲的寬度b、厚度h、長度L（圈數(shù)n）及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。12.4.4游絲的設(shè)計12.5片簧

按其外形：直片簧－a、彎片簧－b、c12.5.1片簧的類型和功用直片簧的種類按截面形狀：等截面、變截面按安裝情況：有初應(yīng)力片簧－a無初應(yīng)力片簧－b12.5.2直片簧的結(jié)構(gòu)和種類第五節(jié)片簧雙螺釘固定防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)防轉(zhuǎn)12.6熱雙金屬彈簧組成：主動層、從動層應(yīng)用：溫度測量元件、溫度控制元件、溫度補償元件

材料：主動層－黃銅、錳鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金被動層－鐵鎳合金帶雙金屬片的閉合觸點裝置12.6.1熱雙金屬彈簧的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用12.6.2熱雙金屬彈籬的材料和制造12.7其他彈性元件簡介12.7.1彈簧管壓力彈簧管彈簧管截面形狀壓力p位移s12.7.2波紋管第七節(jié)其它彈性元件簡介波紋管的應(yīng)用第七節(jié)其它彈性元件簡介密封元件介質(zhì)分隔元件導(dǎo)管撓性聯(lián)接元件12.7.3膜片、膜盒a)平膜片b)波紋膜片膜盒第七節(jié)其它彈性元件簡介電容式壓力傳感器膜片12.7.4各種異型彈性元件End彈性滯后現(xiàn)象

彈性滯后：指在彈性范圍內(nèi)加載與去載時特性曲線不相重合的現(xiàn)象彈性后效現(xiàn)象彈性后效：指載荷改變后，不是立刻完成相應(yīng)的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成的壓縮彈簧特性線

等節(jié)距圓柱螺旋彈簧的特性線是一條直線。工作行程：最小載荷F1＝(0.1～0.5)Fmax最大載荷Fmax由工作條件決定，一般Fmax0.8F3。=-=-無初拉力時，圖b)有初拉力F0時，圖c)12.3螺旋彈簧圓柱螺旋拉伸彈簧特性線彈簧圈數(shù)(1)壓縮彈簧強度受力分析

在軸向載荷作用下，將作用有扭矩﹑彎矩﹑切向力和法向力

螺旋升角γ較小(5°～9°)，計算時可以將彎矩和法向力忽略不計。(1)壓縮彈簧強度計算簧絲應(yīng)力計算：

為曲度系數(shù)

彈簧在承受最大載荷作用時，要滿足強度條件

圓彈簧絲直徑的計算值

按表12-l規(guī)定選取

圓柱螺旋壓縮彈簧剛度計算彈簧剛度

彈簧變形量

彈簧有效圈數(shù)

計算后圓整：n<15，則取n為0.5圈的倍數(shù)；n>15，則取為整圈數(shù)。彈簧的有效圈數(shù)最少為兩圈。圓柱螺旋壓縮彈簧

穩(wěn)定性計算

彈簧的失穩(wěn)：b＝H0/D2比較大，當(dāng)載荷達到一定值時，彈簧會突然發(fā)生側(cè)向彎曲，使彈簧剛度突然降低，稱之為壓縮彈簧的失穩(wěn)。穩(wěn)定性與彈簧兩端的支承情況有關(guān)若b不滿足條件，進行穩(wěn)定性計算：Fmax>FC

不失穩(wěn)的條件：（1）彈簧兩端固定：b<5.3（2）彈簧一端固定，另一端回轉(zhuǎn)：b<3.7（3）彈簧兩端回轉(zhuǎn)：b<2.6圓柱螺旋壓縮彈簧

穩(wěn)定性計算保證不失穩(wěn)的措施：1.改變b值，使其小于允許值；2.Fmax>FC3.B和F不能滿足時，采用結(jié)構(gòu)保證：a）加導(dǎo)桿b）加導(dǎo)套圓柱螺旋拉伸彈簧無初拉力的拉伸彈簧的特性線和壓縮彈簧相似，計算方法也相同。有初拉力的彈簧在自由狀態(tài)下就受有初拉力的作用，所以將有所不同。如果在其特性線中增加一段假想的變形量x（見圖12.11)，則又和無初拉力的特性線完全一樣。因此可以直接利用壓縮彈簧的強度條件公式來計算拉伸彈簧的簧絲直徑。

初拉力

有效圈數(shù)（無初拉力彈簧，則）表12-1