机械设计第十六章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,16-1,概述,工作特点：,弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，在,机械设备中被广泛用作弹性元件。,功用：,1,、控制机构运动或零件的位置，如离合器,2,、缓冲吸振，如车辆悬架,3,、存储能量，如钟表,4,、测量力的大小，如弹簧秤,5,、改变系统的自振频率,分类,螺旋弹簧,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,环形弹簧,平面涡圈弹簧,板弹簧,碟形弹簧,圆柱形,圆锥形,16-2,圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力,弹簧的节距,p,自由状态间距,最大载荷作用下,1,1,=0.1,d,0.2mm,d,为弹簧丝的直径,公式解释：,d,2mm,，,最小,距离,1,为,0.1,d,，当,d,2mm,，,最小距离,1,为,0.2mm,，至少保证,0.2mm,。,1.,圆柱螺旋压缩弹簧,死圈：,弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧，只起支承作用，,不参与变形。,数量：,当弹簧的工作圈数,n7,时，每端的死圈约为,1,1.75,圈。,弹簧端部的结构有多种形式,两个端面圈均与,邻圈并紧且磨平,并紧不磨平,加热卷绕时弹簧丝两端,锻扁且与邻圈并紧,在重要的场合，应采用,YI,型以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。,弹簧丝直径,d0.5mm,，弹簧的两支承端面可不必磨平。,d0.5mm,的弹簧，两支承端面则需磨平。,磨平部分应不少于圆周长的,3/4,，端头厚度一般不小于,d/8,，端面表面粗糙度应低于,R,a,25m,。,2.,圆柱螺旋拉伸弹簧,空载时各圈应相互并拢,卷绕的过程中同时扭转预应力,外加拉力,预应力各圈才开始分离,节省轴向的工作空间,拉伸弹簧的端部制有挂钩，以便安装和加载,LI,型和,LII,型制造方便，应用很广。但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径,d,10 mm,的弹簧中。,LVII,、,LVIII,型挂钩不与弹簧丝连一体，适用于受力较大的场合。,螺旋弹簧的制造工艺,1,、卷制,2,、挂钩,3,、端面圈精加工,4,、热处理,5,、工艺试验,6,、强压处理,冷卷：,用于预先热处理后拉成的直径,d(8,10)mm,的弹簧丝,热卷：,温度随弹簧丝的粗细在,800,1000,的范围内选择,热处理：,冷卷回火 热卷淬火,+,中温回火处理,强压处理：,超过极限载荷持续,6,48h,，产生有益的残余应,力，不适用长期振动、高温或腐蚀性介质情况,10,6,10,3,10,5,10,3,S,：静,D,：动,L,：低,M,：中,H,：高,常用弹簧钢主要有下列几种：,碳素弹簧钢：,价廉，多次重复变形后易失去弹性，工作温,度,130,低锰弹簧钢：,淬透性较好和强度较高，淬火后容易产生裂,纹及热脆性，用于尺寸不大弹簧,硅锰弹簧钢：,弹性极限,显著提高,，回火稳定性好，用于汽,车、拖拉机的螺旋弹簧,铬钒钢：,组织细化、强度和韧性好、耐疲劳和抗冲击性能,良好，,-40,210,的温度下可靠工作，但价格较贵。,多用于要求较高的场合，如用于制造航空发动机,调节系统中的弹簧。,16-3,圆柱螺旋压缩,(,拉伸,),弹簧的设计计算,(,一,),几何参数计算,外径,D,2,、中径,D,、内径,D,1,、节距,p,、螺旋升角,及弹簧丝直径,d,。,压缩弹簧长细比,b,b,=,H,0,/,D,2,b,在,15.3,的范围选取,表,16-3,计算公式,压缩弹簧 拉伸弹簧,参数名称及代号,中径,D,D,=,Cd,取,标准值,自由高度或长度,H,0,有效圈数,n,备 注,H,h,为钩环展开长度,两端并紧，磨平；,H,0,pn,+(1.52),d,两端并紧，不磨平；,H,0,pn,+(33.5),d,mm,内径,D,1,D,1,=,D,-,d,旋绕比,C,C,=,D,/,d,外径,D,2,D,2,=,D,+,d,H,0,=,nd,+,H,h,H,n,=,H,0,-,n,H,n,=,H,0,+,n,n,为工作变形量,n,2,按,16-11,计算,工作高度或长度,拉伸弹簧,n,1,尾数为,1/4,、,1/2,、,3/4,、整圈，推荐用,1/2,圈,续表,16-3,计算公式,压缩弹簧,拉伸弹簧,参数名称及代号,总,圈数,n,1,节距,p p,=(0.280.5),D,p,=,d,轴向间距,=,p,-,d,展开长度,L,螺旋角,质量,m,s,备 注,L,h,为钩环展开长度,对压缩螺旋弹簧，推荐用,=5,9,为材料的密度，对各种钢，,=7700kg/m,3,;,对铍青铜，,=8100kg/m,3,n,1,=,n,冷卷：,n,1,=,n,+(22.5),YII,型热卷：,n,1,=,n,+(1.52),Dn,1,cos,L,=-,=tan,-1,(,p,/,D,),L,Dn,+,L,h,d,2,4,m,s,=-,L,mm,表,16-3,续,(,二,),特性曲线,H,0,没有受力变形的自由长度,F,min,预加压力,H,1,预加压力下弹簧长度,min,预加压力下弹簧变形量,F,max,最大工作载荷,H,2,最大工作载荷下弹簧长度,max,最大工作载荷下,弹簧变形量,F,lim,极限载荷,H,3,极限载荷下弹簧长度,lim,极限载荷下弹簧变形量,无预紧力,有预紧力,F,0,有预应力的拉伸弹簧相当于有预变形,x,。在同样的,F,作用下，有预应力的拉伸弹簧产生的变形要比没有预应力时小。,F,min,=(0.1,0.5),F,max,F,max,0.8,F,lim,(,三,),圆柱螺旋弹簧受载时的应力及变形,截面形状：多为圆截面，也有矩形截面,F,cos,F,sin,F,sin,F,cos,A-A,截面,B-B,截面,F,T,=,FD,/2(,扭矩,),轴向力,Fsin,横向力,Fcos,弯矩,Tsin,扭矩,Tcos,B-B,截面,轴向力,Fsin,横向力,Fcos,弯矩,Tsin,扭矩,Tcos,由于弹簧螺旋升角一般取为,=5,9,，故,sin,0,，,cos,1,旋绕比,C,=,D,/,d C,值的范围为,4,16,横向力,扭矩,最大应力产生在弹簧丝截面内侧的点,m,略去,加入,K,为弹簧曲度系数,圆柱螺旋压缩,(,拉伸,),弹簧受载后的轴向变形量,n-,弹簧的有效圈数,G-,弹簧材料的切变模量,对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧,对于有预应力的拉伸弹簧,用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。,初拉力按下式计算,合理选择,C,就能控制弹簧的弹力,(,四,),圆柱螺旋压缩,(,拉伸,),弹簧的设计,1),根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其力学性能数据。,2),选择旋绕比,C,，通常可取,C,5,8(,极限状态时不小于,4,或超过,16),，计算曲度系数,K,值。,3),根据安装空间初设弹簧中径,D,，根据,C,值估取弹簧丝直径,d,，并由表,16-2,查取弹簧丝的许用应力。,4),试算弹簧丝直径,当弹簧材料选用碳素弹簧钢丝或,65Mn,弹簧钢丝时，钢丝的许用应力决定于,B,，,B,随,d,变化，先假设,d,值，然后试算。最后的,d,、,D,、,n,及,H,0,值应符合标准表,16-6,。,5),根据变形条件求出弹簧工作圈数,对于有预应力的拉伸弹簧,对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧,6),求出弹簧的尺寸,D,2,、,D,1,、,H,0,，并检查其是否符合安装要求等。如不符合应改选有关参数,(,例如,C,值,),重新设计。,7),稳定性、疲劳强度、静应力强度、振动验算,例题,16-1,设计一普通圆柱螺旋拉伸弹簧。已知该弹簧在一般载荷条件下工作，并要求中径,D,18mm,，外径,D,2,22 mm,，当弹簧拉伸变形量,1,=7.5mm,时，拉力,F,1,=180N,，拉伸变形量,2,=17mm,时，拉力,F,2,=340N,。,1.,根据工作条件选择材料并确定其许用应力,因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第,III,类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝,SL,型。,D,2,-,D,22-18=4,估取弹簧钢丝直径为,3.0mm,2.,根据强度条件计算弹簧钢丝直径,现选取旋绕比,C=6,直径不够,13700.50.8,18/3=6,上值与原估取值相近，取弹簧钢丝标准直径,d,=3.4mm,取,D,=18mm,3.,根据刚度条件，计算弹簧圈数,弹簧刚度为,弹簧圈数,取,n=14,圈,4.,验算,(1),弹簧初拉力,81.97MPa,初应力值合适,5.294,极限工作载荷,5.,进行结构设计,选定两端钩环，并计算出全部尺寸,(,从略,),中心臂扭转弹簧,16-4,圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算,(,一,),圆柱螺旋扭转弹簧的结构及特性曲线,螺旋扭转弹簧在相邻两圈间一般留有微小的间距，以免扭转变形时相互摩擦。,内臂扭转弹簧,外臂扭转弹簧,双扭簧,扭转弹簧的特性曲线,T,min,=(0.1,0.5),T,max,H,0,=,n,(,d,+,0,)+,H,h,0,弹簧相邻两圈间的轴向间距，一般取,0.1,0.5mm,H,h,挂钩或杆臂沿弹簧轴向的长度,(,二,),圆柱螺旋扭转弹簧受载时的应力及变形,曲度系数,扭转角,弹簧的扭转刚度,对于圆形截面,(,三,),圆柱螺旋扭转弹簧的设计,首先选定材料及许用应力，并选择,C,值,计算,K,1,或暂取,K,1,=1,对于圆形截面弹簧丝的弹簧,带撇表示中间变量,若不成功，加大直径,扭转弹簧圈数,扭转弹簧的弹簧丝长度,L,h,制作挂钩或杆臂的弹簧丝长度,例题,16-2,试设计一,NIII,型圆柱螺旋扭转弹簧。最大工作扭矩,T,max,=7N,m,，最小工作扭矩,T,min,=2N,m,，工作扭转角,=,max,-,min,=50,，载荷循环次数,N,为,10,5,。,1.,选择材料并确定其许用弯曲应力,根据弹簧的工作情况，属于,II,类弹簧,现选用碳素弹簧钢丝,DM,型制造,估取弹簧钢丝直径为,5mm,选取,C=6,，则,3.,根据强度条件试算弹簧钢丝直径,原值,d=5mm,可用，不需重算,4.,计算弹簧的基本几何参数,取间距,0,=0.5mm,，则,5.,按刚度条件计算弹簧的工作圈数,6.,计算弹簧的扭转刚度,7.,计算,max,和,min,8.,计算自由高度,9.,计算弹簧丝展开长度,