Transcript 第12章弹簧

第十二章
12-1
弹簧
概述
弹簧的主要功用
1.缓和冲击和吸收振动：汽车缓冲、联轴器吸振；
2.控制机构的运动：内燃机阀门；
3.储存能量：钟表、枪械
4.测量力的大小：弹簧秤
弹簧的分类
按承受载荷的不同可分为—— 拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和
弯曲弹簧等。
按弹簧形状不同可分为——
螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹簧、
盘簧、板弹簧等。
弹簧的主要类型及特点
12-2 弹簧的材料、许用应力及制造
一、弹簧的材料
对弹簧的材料的主要要求是：
1.必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；
2.具有良好的热处理性能,热处理后应有足够的经久不变的弹
性,且脱碳性要小;
3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。
常用的弹簧材料有：
碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢、有色金属等
二、许用应力
• 弹簧分为三类
• Ⅰ类
循环次数106以上
• Ⅱ类
循环次数103—106之间
• Ⅲ类
循环次数103以下
• 分类不同，每次能承受的载荷也不同
• 弹簧丝的强度与弹簧丝组别、弹簧丝直径有关。
• 机械强度的分组：
• Ⅰ组—高级
• Ⅱ及Ⅱa组—中级
• Ⅲ组—正常级
• 直径d小的弹簧丝强度极限σb较高
三、螺旋弹簧的制造
螺旋弹簧的制造过程主要包括：
（1）卷绕
冷卷
弹簧丝直径较小，低温回火
热卷
弹簧丝直径较大，淬火及回火
（2）钩环的制作或两端的加工
（3）热处理
（4）工艺试验及必要的压强或喷丸等强化处理。
压缩弹簧的端部结构
拉伸弹簧的端部结构
12-3 圆柱形压缩（拉伸）螺旋
弹簧的设计计算
圆柱形压缩螺旋弹簧与拉伸螺旋弹簧的设计计算内容主要有：
确定结构形式和特性线；
选择材料和确定许用应力；
由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；
由刚度条件确定弹簧的工作圈数；
确定弹簧的基本参数、尺寸等。
一、几何尺寸和参数
中径 D2
外径D
内径D1
节距t
螺旋升角α
弹簧丝直径d
圈数n
弹簧指数（旋绕比）C: C 
D2
d
二、特性线
表示载荷与相应变
形之间关系的曲线
称为弹簧的特性线
a直线型
b渐增型
c渐减型
下图为圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线
λ 1与λ2之差称为弹簧的工作行程
h  2  1  H1  H 2
Flim为弹簧的极限工作载荷，在它的作用
下弹簧丝内的应力达到了弹簧材料的屈
服极限。
弹簧的最小工作载荷通常取为 F1  0.2Flim
最大工作载荷通常取 F2  0.8Flim
弹簧间隙   lim / n
余
隙 1  0.1d
极限工作载荷Flim 的大小，应保证弹簧丝中所产生的极限切
应力 lim 在以下范围内：
对于Ⅰ类弹簧  lim  1.67  
对于Ⅱ类弹簧  lim  1.25 
对于Ⅲ类弹簧  lim  1.12  
右图为圆柱型
等节距拉伸螺
旋弹簧及其特
性线
三、弹簧的受力和应力
在通过弹簧轴线的平面A-A内,弹
簧丝的剖面呈椭圆形,而在垂直
于弹簧的平面B-B内则为圆形,两
剖面间夹角为弹簧的螺旋升角 0
当弹簧受载荷F作用时,在A-A剖
D
面上将作用有扭转力矩 F 2
2
和剪切力
。
F
FD2
F  D2
cos 、弯矩  
sin 
而在B-B剖面上则作用有转矩 T 
2
2
切向力 Ft  F cos
及法向力 Fn  F sin 
该剖面上的应力可近似的取为
 T  F
转矩T引起的切应力 T
T
FD2 / 2 8FD2
T 


3
WT  d /16  d 3
切向力 Ft
力
引起的切应 F
Ft
F
4F
F  

2
A d /4 d2
根据力的迭加原理可知，在弹簧丝内侧a点的合成应力最大
a点的最大合成切应力为
8FD2 4 F 8FD2 
d  8FD2 
1 
'


1


1

 d 3  d 2  d 3  2 D2   d 3  2C 
1
取1 
1
2C
考虑弹簧升角和曲率以及  F 的影响引入一个修正系数K,则弹簧丝剖
面上实际力的分布将如图(d),其强度条件
8FD2
8FC
 K
K
  
3
2
d
d
式中K称为曲度系数
4C  1 0.615
K

4C  4
C
当按强度条件计算弹簧丝直径d时,应以最大工作载荷 F2
F
替式中的
,则得
d
8 KF2C
  
 1.6
KF2C
 
mm
  与弹簧丝直径d有关，因此应反复计算。
代
四、弹簧的变形和刚度
由材料力学可知，圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生
的轴向变形量为：
8FD23n 8FC 3n


4
Gd
Gd
（1）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧
8F2C 3n
2 
Gd
（2）对于有初应力的拉伸弹簧
8  F2  F0  C 3n
2 
Gd
F0 为初拉力 F0 
 d 3 0'
8KD2
弹簧的刚度用 K F 表示，拉伸和压缩弹簧的刚度为
dF
KF 
d
定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为
Gd
Gd 4
KF   3 
 8C n 8D23n
F
五、弹簧的稳定性
D2
压缩弹簧的自由高度 H 0
与中径
H0
之比，称为高径比，即
b
D2
为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b值
应满足下列要求：
b  5.3
两端固定时
一端固定另一端自由转动时
b  3.7
b  2.6
两端均自由转动时
当b值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。保持稳定时的
临界载荷由下式计算
C
B
Fc  CB KF H0
CB ——不稳定系数 CB 
c
H0
可保证弹簧的稳定性，最大工作载
Fc
荷 F2 与临界载荷
之间应满
足以下关系
Fc
F2 
2 ~ 2.5
b
不稳定系数CB
六、受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计
设计的一般步骤如下：
1.选择材料和确定许用应力。
(1)初选弹簧指数C
(2)根据初选C值及安装空间估计中径 D2 ,估取弹簧丝直径
(3)选择材料
2.根据强度条件试算弹簧丝直径 d '
3.根据变形条件计算弹簧工作圈数。
4.计算弹簧主要尺寸。
5.验算稳定性。
6.绘制弹簧工作图。
。
弹簧的应用
弹簧的应用
弹簧的应用