彈簧參數(shù)計算

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第15章彈簧元件彈簧元件的的功用和類型彈簧受外力作用后能產生較大的彈性變形，在機械設備中廣泛應用彈簧作為彈性元件。彈簧的主要功用有：1）控制機構的運動或零件的位置，如凸輪機構、離合器、閥門以及各種調速器中的彈簧；2）緩沖及吸振，如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；3）儲存能量，如鐘表、儀器中的彈簧；4）測量力的大小，如彈簧秤中的彈簧。彈簧的種類很多，從外形看，有螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、平面渦卷彈簧和板彈簧等。螺旋彈簧是用金屬絲（條）按螺旋線卷饒而成，由于制造簡便，所以應用最廣。按其形狀可分為：圓柱形（下圖a、b、d）、截錐形（下圖c）等。按受載情況又可分為拉伸彈簧（下圖a）、壓縮彈簧（下圖b、c）和扭轉彈簧（下圖d）。環(huán)形彈簧（下圖a）和碟形彈簧（下圖b）都是壓縮彈簧，在工作過程中，一部分能量消耗在各圈之間的摩擦上，因此具有很高的緩沖吸振能力，多用于重型機械的緩沖裝置。平面渦卷彈簧或稱盤簧（下圖c），它的軸向尺寸很小，常用作儀器和鐘表的儲能裝置。板彈簧（下圖d）是由許多長度不同的鋼板疊合而成，主要用作各種車輛的減振裝置。本章主要介紹圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的結構和設計。圓柱螺旋拉伸、壓縮彈簧的應力與變形一、彈簧的應力圓柱螺旋拉伸及壓縮彈簧的外載荷（軸向力）均沿彈簧的軸線作用，它們的應力和變形計算是相同的?，F(xiàn)以圓柱螺旋壓縮彈簧為例進行分析。下左圖所示為一圓柱螺旋壓縮彈簧，軸向力F作用在彈簧的軸線上，彈簧絲是圓截面的，直徑為d，彈簧中徑為D2，螺旋升角為a。一般，彈簧的螺旋升角a很?。╝<9°）,可以認為通過彈簧軸線的截

面就是彈簧絲的法截面。由力的平衡可知，此截面上作用著剪力F和扭矩T=FD2/2。***蜻***蜻如果不考慮彈簧絲的彎曲，按直桿計算，以WT表示彈簧絲的抗扭截面系數(shù)，則扭矩T在截面引起的最大扭切應力（上右圖）為卜_工_￡21-8F￡s若剪力引起的切應力為均勻分布，則切應力"=魏彈簧絲截面上的最大切應力T發(fā)生在內側，即靠近彈托軸線的一側，其值為則彈簧絲截面上的最大切應力為式中：C稱為旋繞比，或稱為彈簧指數(shù)，是衡量彈簧曲率的重要則彈簧絲截面上的最大切應力為式中：C稱為旋繞比，或稱為彈簧指數(shù)，是衡量彈簧曲率的重要參數(shù)；抬號內的第二項為切應力T"的影響。較精確的分析指出，彈簧絲截面內側的最大切應力（上左圖）及其強度條件為式中：F、C、d的意義同上；〔T〕為材料的許用切應力；K為彈簧的曲度系數(shù)，其計算式為上式中第一項反映了彈簧絲曲率對扭切應力的影響。如上左所示，彈簧絲在扭矩T作用下，截面a'-a'與b'—b'將相對轉動一個小角度。由于內側的纖維長度比外側的短（即a'b'<ab），這樣，內側單位長度的扭轉變形就比外側的大，因此內側的扭切應力大于直桿的扭切應力T'，而外側則反之。顯然，旋繞比C越小，內側應力增加越多。第二項反映了因丁”不均勻分布對內側應力產生的影響。二、彈簧的變形在軸向載荷作用下，彈簧產生軸向變形量，見上圖a。今截取微段彈簧絲，如圖b所示，當彈簧螺旋升角a很小時，可認為半徑OC1、OC2和微段彈簧絲的軸線ds在同一平面內。微段ds受扭矩T后，兩端截面相對扭轉了de角，于是半徑OC2也相對于半徑OC1扭轉了一個角度de使點o移到o‘，從而使彈簧產生相應的軸向變形d入玖尖一風7也玖尖一風7也旺啄，=薩=2*瓦=式中：G為彈簧材料的切變模量（鋼：G=8x104MPa,青銅：G=4x104MPa）；其他符號意義同前；積分是彈簧的總長度l,若彈簧的有效圈數(shù)（參與變形的圈數(shù)）為n,則l=nnD2。由此可得彈簧的軸向變形量Gd*Gd使彈簧產生單位變形量所需的載荷稱為彈簧剛度k（也稱為彈簧常數(shù)），即F=Gd^=GdA—SDln—8C3h從上式可看出，當其他條件相同時，旋繞比C越小，彈簧剛度越大；反之，則彈簧剛度越小。若C值過小，會使彈簧卷繞困難，并在彈簧內側引起過大的應力。但C值過大，則彈簧易顫動。所以旋繞比C應在4~16之間，常用的范圍為C=5~8。此外，剛度k還與G、d、n有關，設計時應綜合考慮這些因素的影響。彈簧的制造、材料和許用應力一、彈簧的制造螺旋彈簧的制造過程包括：卷繞、兩端面加工（指壓美）或掛鉤的制作（指拉費和扭簧）、熱處理和工藝性試驗等。大批生產時，彈簧的卷制是在自動機床上進行的。小批生產則常在普通車床上或者手工卷制。彈簧的卷繞方法可分為冷卷和熱卷兩種。當彈簧絲直徑小于10mm時，常用冷卷法。冷卷時，一般用冷拉的碳素彈簧鋼絲在常溫下卷成，不再淬火，只經低溫回火消除內應力。熱卷的彈簧卷成后須經過淬火和回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進行表面檢驗及工藝性試驗，以鑒定彈簧的質量。彈簧制成后，如再進行強壓處理，可提高承載能力。一強壓處理是將彈簧預先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持一定時間后卸載，使簧絲表面層產生與工作應力方向相反的殘余應力，受載時可抵消一部分工作應力，因此提高了彈簧的承載能力。，經強壓處理的彈簧，不宜在高溫、變載荷及有腐蝕性介質的條件下應用。因為在上述情況下，強壓處理產生的殘余應力是不穩(wěn)定的。受變載荷的壓縮彈簧，可采用噴丸處理提高其疲勞壽命。二、彈簧的材料彈簧在機械中常承受具有沖擊性的變載荷，所以彈簧材料應具有高的彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能等。常用的彈簧材料有優(yōu)質碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼和有色金屬合金。碳素彈簧鋼含碳量在0.6%~0.9%之間，如65、70、85等碳素彈簧鋼。這類鋼價廉易得，熱處理后具有較高的強度、適宜的韌性和塑性，但當彈簧絲直徑大于12mm時，不易淬透，故僅適用于小尺寸的彈簧。合金彈簧鋼承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高的彈簧，需采用合金彈簧鋼，常用的有硅錳鋼和鉻磯鋼等。有色金屬合金在潮濕、酸性或其他腐蝕性介質中工作的彈簧，宜采用有色金屬合金，如硅青銅、錫青銅、鈹青銅等。常用彈簧材料的性能列于教材表15-1中。選擇彈簧材料時應充分考慮彈簧的工作條件（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)先采用碳素彈簧鋼絲。三、彈簧的許用應力影響彈簧許用應力的因素很多，除了材料品種外，材料質量、熱處理方法、載荷性質、彈簧的工作條件和重要程度以及彈簧絲的尺寸等，都是確定許用應力時應予以考慮的。村時樣用■、?特怪M留逢&存#*1w(n1恭鼻骨牌IE鼻M!銅甘1,?.1.,10.血s>—liO懿京高，性趣坪?舊尺寸大了不■溥適?只通用于蚩小??5.4S-&MRC■.陽子制盅登■景的*IR5?：rVA御頌T50T07IQ45-50HRC者在痢痍勞既眼「第性,等毒性邦國火鼻窟怪蝦,青用于版盤竟■普的算K心*750牯?53HPC!肆大的鼻蚤#?!?伽T&—ISO如"-1伽BBS耐,博■肪■蝦QSn4-327。瑚450itiI. 的序川m直*隼方*中敬!a對仲到.2- It攜璋在捫個虹械撮罐由#曾.中用切而力[r]應至當曲悻.剖妃菱IHt荷的*果鼻*,"/ffI熒is麻許用ri：.rj.3-SWJI.費*悲漫的■胃，祥用怫踴?5,4.filEtyraj）flits,[ES=J.?:r:.Iars-I.E；：；rt:.IS^=1.Ij>,]P通常，彈簧按其載荷性質分為三類：I類一一受變載荷作用次數(shù)