機械五金標準件認識與應用之二課件

彈簧的認識與應用彈簧的認識與應用1機械五金標準件認識與應用之二課件2目錄一.彈簧的分類.二.彈簧的功能.

三.彈簧的材料及選材.四.彈簧的制造.

五.彈簧的工作原理.六.彈簧的參數(shù).七.彈簧的計算.目錄一.彈簧的分類.3一.彈簧分類:拉伸彈簧、、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種。若按照彈簧形狀又可分為彈簧的種類很多，若按照其所承受的載荷性質(zhì)，彈簧主要分為:1.拉伸彈簧2.壓縮彈簧一.彈簧分類:拉伸彈簧、、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種。若按照彈4拉伸彈簧、、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種。若按照彈簧形狀又可分為3.扭轉(zhuǎn)彈簧4.彎曲彈簧一.彈簧分類:拉伸彈簧、、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種。若按照彈簧形狀又可分為5按照彈簧形狀又可分為:1.螺旋彈簧2.碟形彈簧3.環(huán)形彈簧4.板彈簧5.盤彈簧一.彈簧分類:按照彈簧形狀又可分為:1.螺旋彈簧2.碟形彈簧3.環(huán)形彈簧46二.彈簧功能:彈簧是通過其自身產(chǎn)生較大彈性變形進行工作的一種彈性元件。在各類機器中的應用十分廣泛。其主要功用是：

1）控制機械的運動，例如內(nèi)燃機中控制氣缸閥門啟閉的彈簧、離合器中的控制彈簧；

2）吸收振動和沖擊能量，例如各種車輛中的減振彈簧及各種緩沖器的彈簧等；

3）存儲和釋放能量，例如鐘表彈簧、槍栓彈簧等；

4）測量力的大小，例如彈簧秤和測力器中的彈簧等等。二.彈簧功能:彈簧是通過其自身產(chǎn)生較大彈性變形進行工作的7三.彈簧材料:為了保障彈簧能夠可靠地工作，其材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。表20-2列出了幾種主要彈簧材料及其使用性能。實踐中應用最廣泛的就是彈簧鋼，其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。圖20-2給出了碳素彈簧鋼絲的抗拉強度極限。三.彈簧材料:為了保障彈簧能夠可靠地工作，其材料除應滿8圖20-2碳素鋼絲直徑與強度的關(guān)系三.彈簧材料:圖20-2碳素鋼絲直徑與強度的關(guān)系三.彈簧材料:9表20-2主要彈簧材料及其許用應力三.彈簧材料:表20-2主要彈簧材料及其許用應力三.彈簧材料:10注：

1.按受力循環(huán)次數(shù)N不同，彈簧分為三類：Ⅰ類N>106；Ⅱ類N=103～105

以及受沖擊載荷的場合；Ⅲ類N<103。

2.碳素彈簧鋼絲按機械性能不同分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四組，Ⅰ組強度最高，依次為Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ組。

3.彈簧的工作極限應力τlim：Ⅰ類≤1.67[τ]；Ⅱ類≤1.25[τ]；Ⅲ類≤1.12[τ]。

4.軋制鋼材的機械性能與鋼絲相同。

5.碳素鋼絲的切變模量和彈性模量對0.5～4mm直徑有效，>4mm取下限。三.彈簧材料:注：

1.按受力循環(huán)次數(shù)N不同，彈簧分為三類：Ⅰ類N>10611三.彈簧材料選擇:彈簧材料選擇必須充分考慮到彈簧的用途、重要程度與所受的載荷性質(zhì)、大小、循環(huán)特性、工作溫度、周圍介質(zhì)等使用條件，以及加工、熱處理和經(jīng)濟性等因素，以便使選擇結(jié)果與實際要求相吻合。鋼是最常用的彈簧材料。當受力較小而又要求防腐蝕、防磁等特性時，可以采用有色金屬。此外，還有用非金屬材料制做的彈簧，如橡膠、塑料、軟木及空氣等。三.彈簧材料選擇:彈簧材料選擇必須充分考慮到彈簧的用途、重要12四.彈簧制造:

螺旋彈簧的制造工藝過程如下：

①繞制；

②鉤環(huán)制造；

③端部的制作與精加工；

④熱處理；

⑤工藝試驗等，對于重要的彈簧還要進行強壓處理。

彈簧的繞制方法分冷卷法與熱卷法兩種。

（1）冷卷法：簧絲直徑d≤8mm的采用冷卷法繞制。冷態(tài)下卷繞的彈簧常用冷拉并經(jīng)預先熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲，卷繞后一般不再進行淬火處理，只須低溫回火以消除卷繞時的內(nèi)應力。

（2）熱卷法：簧絲直徑較大（d>8mm）的彈簧則用熱卷法繞制。在熱態(tài)下卷制的彈簧，卷成后必須進行淬火、中溫回火等處理。對于重要的彈簧，還要進行工藝檢驗和沖擊疲勞等試驗。為提高彈簧的承載能力，可將彈簧在超過工作極限載荷下進行強壓處理，以便在簧絲內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和有益的殘余應力，由于殘余應力的符號與工作應力相反，因而彈簧在工作時的最大應力（見左圖所示）比未經(jīng)強壓處理的彈簧小。四.彈簧制造:螺旋彈簧的制造工藝過程如下：

①繞13五.彈簧工作原理:

1、定義：表征彈簧載荷F、T與其變形l之間關(guān)系的曲線，稱為彈簧特性線。

2、載荷與變形：對于受壓或受拉的彈簧，載荷指壓力或拉力，變形是指彈簧壓縮量或伸長量；對于受扭轉(zhuǎn)的彈簧，載荷是指扭矩，變形是指扭角。

3、常見類型：按照結(jié)構(gòu)型式不同，常見的彈簧特性曲線有如圖所示的四種：

圖a直線型圖b剛度漸增型

圖c剛度漸減型圖d混合型

彈簧的特性曲線應繪制在彈簧的工作圖上，作為檢驗與試驗的依據(jù)之一。同時還可在設(shè)計彈簧時，利用特性曲線進行載荷與變形關(guān)系的分析。1彈簧特性曲線

五.彈簧工作原理:1、定義：表征彈簧載荷F、T與其變形l之14五.彈簧工作原理:1、定義：

彈簧剛度是指使彈簧產(chǎn)生單位變形的載荷，用K和KT分別表示拉（壓）彈簧的剛度與扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度，其表達式如下：

對于拉壓彈簧

對于扭轉(zhuǎn)彈簧

其中：F---彈簧軸向拉（壓）力；

λ---彈簧軸向伸長量或壓縮量；

T---扭轉(zhuǎn)彈簧的扭矩；

?---扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角。

2彈簧剛度

五.彈簧工作原理:1、定義：

彈簧剛度是指使彈簧產(chǎn)生單位152、彈簧剛度與彈簧特性的關(guān)系

圖a）所示的直線型彈簧，其剛度為一常數(shù)。這種彈簧的特性曲線越陡，彈簧剛度相應愈大，即彈簧愈硬；反之則愈軟。

圖b）所示的彈簧特性曲線為剛度漸增型，即彈簧隨變形量的增大其剛度越大，且在最大或沖擊載荷作用時，仍具有較好的緩沖減振性能，故多使用彈簧特性曲線具有該型曲線的走向。

圖c）所示彈簧特性曲線為剛度漸減型，即彈簧剛度隨變形的增大而越小。為了在沖擊動能一定時，獲得較小沖擊力，則應使用具有剛度漸減型特性曲線的彈簧為宜。五.彈簧工作原理:2、彈簧剛度與彈簧特性的關(guān)系

圖a）所示的直線型彈簧，其16六.彈簧參數(shù):如圖所示，圓柱彈簧的主要尺寸有：彈簧絲直徑d、彈簧圈外徑D、彈簧圈內(nèi)徑D1，彈簧圈中徑D2，節(jié)距t、螺旋升角a、自由長度H0等。六.彈簧參數(shù):如圖所示，圓柱彈簧的主要尺寸有：彈簧絲直徑17彈簧參數(shù)的計算

彈簧設(shè)計中，旋繞比（或稱彈簧指數(shù)）C是最重要的參數(shù)之一。

C=D2/d，彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。常用彈簧指數(shù)的選取參見表。彈簧絲直徑d（mm）0.2～0.40.5～11.1～2.22.5～67～1618～40C7～145～125～104～104～84～6六.彈簧參數(shù):彈簧參數(shù)的計算

彈簧設(shè)計中，旋繞比（或稱彈簧指數(shù)）C是最18彈簧總?cè)?shù)與其工作圈數(shù)間的關(guān)系為：

；

彈簧節(jié)距t一般按下式?。海▽嚎s彈簧）；

t=d

（對拉伸彈簧）；

式中：λmax---彈簧的最大變形量；

Δ---最大變形時相鄰兩彈簧絲間的最小距離，一般不小于0.1d。

彈簧鋼絲間距：

δ=t-d；

彈簧的自由長度：

H=n·δ+(n0-0.5)d

（兩端并緊磨平）；

H=n·δ+(n0+1)d

（兩端并緊，但不磨平）。

彈簧螺旋升角：

，通常α取5～90

。

六.彈簧參數(shù):彈簧總?cè)?shù)與其工作圈數(shù)間的關(guān)系為：

19彈簧絲材料的長度：（對壓縮彈簧）；

（對拉伸彈簧）；

其中l(wèi)為鉤環(huán)尺寸。六.彈簧參數(shù):彈簧絲材料的長度：20七.彈簧受力分析:七.彈簧受力分析:21圖示的壓縮彈簧，當彈簧受軸向壓力F時，在彈簧絲的任何橫剖面上將作用著：扭矩T=FRcosα

，彎矩M=FRsinα，切向力FQ=Fcosα和法向力NF=Fsinα

（式中R為彈簧的平均半徑）。由于彈簧螺旋角α的值不大（對于壓縮彈簧為6～90

）,所以彎矩M和法向力N可以忽略不計。因此，在彈簧絲中起主要作用的外力將是扭矩T和切向力Q。α的值較小時，cosα≈1,可取T=FR

和

Q=F。這種簡化對于計算的準確性影響不大。

當拉伸彈簧受軸向拉力F時，彈簧絲橫剖面上的受力情況和壓縮彈簧相同，只是扭矩T和切向力Q均為相反的方向。所以上述兩種彈簧的計算方法可以一并講述。七.彈簧受力分析:圖示的壓縮彈簧，當彈簧受軸向壓力F時，在彈簧絲的任何橫剖22七.彈簧強度分析:從受力分析可見，彈簧受到的應力主要為扭矩和橫向力引起的剪應力，對于圓形彈簧絲

系數(shù)Ks可以理解為切向力作用時對扭應力的修正系數(shù)，進一步考慮到彈簧絲曲率的影響，可得到扭應力

式中K為曲度系數(shù)。它考慮了彈簧絲曲率和切向力對扭應力的影響。一定條件下鋼絲直徑

七.彈簧強度分析:從受力分析可見，彈簧受到的應力主要為扭23七.彈簧剛度分析:圓柱彈簧受載后的軸向變形量

式中n為彈簧的有效圈數(shù)；G為彈簧的切變模量。

這樣彈簧的圈數(shù)及剛度分別為

對于拉伸彈簧，n>20時，一般圓整為整圈數(shù)，n<20時，可圓整為1/2圈；對于壓縮彈簧總?cè)?shù)n的尾數(shù)宜取1/4、1/2或整圈數(shù)，常用1/2圈。為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常彈簧的有效圈數(shù)最少為2圈。C值大小對彈簧剛度影響很大。若其它條件相同時，C值愈小的彈簧，剛度愈大，彈簧也就愈硬；反之則愈軟。不過，C值愈小的彈簧卷制愈困難，且在工作時會引起較大的切應力。此外，k值還和G、d、n有關(guān)，在調(diào)整彈簧剛度時，應綜合考慮這些因素的影響。七.彈簧剛度分析:圓柱彈簧受載后的軸向變形量

24七.彈簧穩(wěn)定性分析:壓縮彈簧的長度較大時，受載后容易發(fā)生圖a)所示的失穩(wěn)現(xiàn)象，所以還應進行穩(wěn)定性的驗算。七.彈簧穩(wěn)定性分析:壓縮彈簧的長度較大時，受載后容易發(fā)生圖a25七.彈簧穩(wěn)定性分析:為了便于制造和避免失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，通常建議彈簧的長徑比b=H0/D2

按下列情況取為：

彈簧兩端均為回轉(zhuǎn)端時，b≤2.6；

彈簧兩端均為固定端時，b≤5.3；

彈簧兩端一端固定而另一端回轉(zhuǎn)時，b≤3.7。

如果b大于上述數(shù)值時，則必須進行穩(wěn)定性計算，并限制彈簧載荷

F

小于失穩(wěn)時的臨界載荷

Fcr。一般取F=Fcr/(2～2.5)，其中臨界載荷可按下式計算：

Fcr

=CBkH0

式中，CB為不穩(wěn)定系數(shù)，由下圖查取。

如果

F>Fcr，應重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變

b

值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax

之值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。若受結(jié)構(gòu)限制而不能改變參數(shù)時，就應該加裝圖b)、c)所示的導桿或?qū)?，以免彈簧受載時產(chǎn)生側(cè)向彎曲。七.彈簧穩(wěn)定性分析:為了便于制造和避免失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，通常26七.受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算:對于循環(huán)次數(shù)較多、工作在變應力下的重要彈簧，還應該進一步對疲勞強度進行驗算。如果變應力的循環(huán)次數(shù)N≤103，或應力變化幅度不大時，應進行靜強度驗算。如果上述兩種情況不能明確區(qū)分時，則應同時進行這兩種強度的驗算。七.受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算:對于循環(huán)次數(shù)較多、27七.受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算:1疲勞強度驗算一般受變應力作用的彈簧，其應力變化規(guī)律有τmax=常數(shù)和τmin=常數(shù)兩種