第12章 彈性元件

1、 第十二章 彈 性 元 件彈性元件：彈性元件：利用材料的彈性性能，完成各種功能利用材料的彈性性能，完成各種功能的零件或部件。的零件或部件。測(cè)力測(cè)力產(chǎn)生振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)儲(chǔ)存能量?jī)?chǔ)存能量緩沖和吸振緩沖和吸振控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)改變機(jī)械的自振頻率改變機(jī)械的自振頻率消除空回和配合間隙消除空回和配合間隙第一節(jié) 概述主要功能主要功能一、基本概念和功用一、基本概念和功用l按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi) a.片簧片簧 b.b.平面渦卷簧平面渦卷簧 c.c.螺旋彈簧螺旋彈簧 d.d.壓力彈簧管壓力彈簧管 e.e.波紋管波紋管 f.f.膜片膜片第一節(jié) 概述二、常見(jiàn)彈性元件的分類(lèi)和特點(diǎn)二、常見(jiàn)彈性元件的分類(lèi)和特點(diǎn)l根據(jù)用途 測(cè)量彈

2、簧測(cè)量彈簧 力彈簧力彈簧 l根據(jù)所承受的載荷 拉伸彈簧拉伸彈簧 壓縮彈簧壓縮彈簧 扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧 彎曲彈簧彎曲彈簧l根據(jù)使用的彈性材料 金屬?gòu)椈山饘購(gòu)椈?非金屬?gòu)椈桑ㄏ鹉z彈簧等）非金屬?gòu)椈桑ㄏ鹉z彈簧等）第一節(jié) 概述l彈性元件的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、占據(jù)空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、占據(jù)空間小、安裝和固定簡(jiǎn)單、工作可靠。安裝和固定簡(jiǎn)單、工作可靠。第一節(jié) 概述l彈簧材料要求 較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌性和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良好的熱處理性能。l常用彈簧材料( (表表13-1)13-1) 碳素彈簧鋼碳素彈簧鋼 合金彈簧鋼合金彈簧鋼有色金屬合金有色金屬合金

3、金屬金屬材料材料橡膠橡膠塑料塑料石英石英陶瓷陶瓷空氣空氣非金屬非金屬 材料材料第一節(jié) 概述三、常用彈性元件材料及其特點(diǎn)三、常用彈性元件材料及其特點(diǎn) 四、彈性元件的許用應(yīng)力四、彈性元件的許用應(yīng)力 與材料種類(lèi)、質(zhì)量、熱處理方法，載荷性質(zhì)、與材料種類(lèi)、質(zhì)量、熱處理方法，載荷性質(zhì)、彈絲的尺寸有關(guān)。根據(jù)變載荷的作用次數(shù)以及彈彈絲的尺寸有關(guān)。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(lèi)：簧的重要程度將彈簧分為三類(lèi)： 類(lèi)類(lèi)受變載荷作用次數(shù)在受變載荷作用次數(shù)在10106 6以上或很重以上或很重要的彈性元件。要的彈性元件。 類(lèi)類(lèi)受變載荷作用次數(shù)在受變載荷作用次數(shù)在10103 3-10-105 5以上及受

4、以上及受沖擊載荷的彈性元件。沖擊載荷的彈性元件。 類(lèi)類(lèi)受變載荷作用次數(shù)在受變載荷作用次數(shù)在10103 3以下，即基本以下，即基本受靜載荷的彈性元件受靜載荷的彈性元件第一節(jié) 概述第二節(jié) 彈性元件的基本特性一、彈性元件的基本特性一、彈性元件的基本特性 作用在彈性元件上的力、壓力或溫度等與變形作用在彈性元件上的力、壓力或溫度等與變形的關(guān)系，稱(chēng)為的關(guān)系，稱(chēng)為彈性元件的特性彈性元件的特性。 f f( (F F ) ( ) ( p,t p,t ) ) 特性曲線(xiàn)：直線(xiàn)型、曲線(xiàn)型特性曲線(xiàn)：直線(xiàn)型、曲線(xiàn)型l非線(xiàn)性度：非線(xiàn)性度：特性曲線(xiàn)與理想直線(xiàn)的最大偏差特性曲線(xiàn)與理想直線(xiàn)的最大偏差 和彈性元件的最大變形和彈性元

5、件的最大變形 的百分比的百分比 稱(chēng)為彈性元件特性的非線(xiàn)性度。稱(chēng)為彈性元件特性的非線(xiàn)性度。 maxmax%100maxmaxxl剛度剛度 對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng) 對(duì)線(xiàn)性系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)性系統(tǒng)1niiFF111niiFF/FFconstddFFF)(lim0/第二節(jié) 彈性元件的基本特性串連系統(tǒng)串連系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)（柔度）（柔度）二、影響彈性元件特性的因素（以圓柱螺旋彈簧為二、影響彈性元件特性的因素（以圓柱螺旋彈簧為 例）例） 由特性解析式得由特性解析式得幾何尺寸參數(shù)的影響幾何尺寸參數(shù)的影響可調(diào)整方法予以消除可調(diào)整方法予以消除溫度的影響溫度的影響切變模量、彈性模量的溫度特性切變模量、彈性模量的溫度特性

6、彈性滯后彈性滯后和和彈性后效彈性后效的影響的影響較大安全系數(shù)、較大安全系數(shù)、合理的結(jié)構(gòu)和元件的聯(lián)接方法、特殊合金等。合理的結(jié)構(gòu)和元件的聯(lián)接方法、特殊合金等。3248( , , ,)D nFf D d n GGd第二節(jié) 彈性元件的基本特性第三節(jié) 螺旋彈簧一、螺旋彈簧的功能和種類(lèi)一、螺旋彈簧的功能和種類(lèi)l功能功能 將沿軸線(xiàn)方向的力或垂直于軸線(xiàn)平面內(nèi)的力矩將沿軸線(xiàn)方向的力或垂直于軸線(xiàn)平面內(nèi)的力矩 彈簧兩端的相對(duì)位移彈簧兩端的相對(duì)位移。l圓柱形螺旋彈簧的型式圓柱形螺旋彈簧的型式（依載荷作用方式） 拉伸彈簧（代號(hào)拉伸彈簧（代號(hào)L L型）型） 壓縮彈簧（代號(hào)壓縮彈簧（代號(hào)Y Y型）型） 扭轉(zhuǎn)彈簧（代號(hào)扭轉(zhuǎn)

7、彈簧（代號(hào)N N型）型）l圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)任務(wù) 已知已知：彈簧的最大工作載荷、最大工作變形以及：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)）結(jié)構(gòu)和工作條件（如安裝空間、載荷性質(zhì)） 求求：彈簧的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計(jì)中既要保：彈簧的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計(jì)中既要保證有足夠的強(qiáng)度，又要符合載荷變形特性曲線(xiàn)的證有足夠的強(qiáng)度，又要符合載荷變形特性曲線(xiàn)的要求，不失穩(wěn)，工作可靠；優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)彈簧要求，不失穩(wěn)，工作可靠；優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)彈簧。第三節(jié) 螺旋彈簧第三節(jié) 螺旋彈簧圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)二、圓柱螺旋壓縮彈簧特性線(xiàn)特性線(xiàn)強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算剛度計(jì)算剛度計(jì)

8、算穩(wěn)定性計(jì)算穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算第三節(jié) 螺旋彈簧三、圓柱螺旋拉伸彈簧種類(lèi)無(wú)初拉力無(wú)初拉力有初拉力有初拉力F F0 0彈簧圈數(shù)拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)第三節(jié) 螺旋彈簧DdF830304)(8DFFdGn)HK(HKFF00四、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧受轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩T T作用后的扭轉(zhuǎn)變形作用后的扭轉(zhuǎn)變形彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù)2180obEInM D第三節(jié) 螺旋彈簧EInDMEInDMEIlMradbbb22180)()(第四節(jié) 游絲一、游絲的種類(lèi)、要求和材料一、游絲的種類(lèi)、要求和材料l種類(lèi)種類(lèi)：測(cè)量游絲、測(cè)量游絲、 接觸游絲接觸游絲l要求：要求： 能實(shí)現(xiàn)給定彈性特性能實(shí)現(xiàn)給定彈性特性, ,誤差小誤差小;

9、; 滯后和后效現(xiàn)象應(yīng)較小滯后和后效現(xiàn)象應(yīng)較小; ; 特性不隨溫度變化特性不隨溫度變化; ; 具有好的防磁性能和抗蝕性具有好的防磁性能和抗蝕性; ;l要求要求： 游絲的重心應(yīng)位于幾何中心上游絲的重心應(yīng)位于幾何中心上; ;游絲的圈間螺距應(yīng)相等游絲的圈間螺距應(yīng)相等, ,工作中無(wú)碰圈現(xiàn)象工作中無(wú)碰圈現(xiàn)象; ;若兼作導(dǎo)電元件時(shí)若兼作導(dǎo)電元件時(shí), ,游絲材料應(yīng)有較小的電阻系游絲材料應(yīng)有較小的電阻系數(shù)。數(shù)。l材料：材料： 錫青銅（錫青銅（QSn4-3QSn4-3）、鈹青銅（）、鈹青銅（Qbe2Qbe2）、恒彈性）、恒彈性合金（合金（Ni42CrTiNi42CrTi）、不銹鋼、黃銅、銅鋅鑷合金。）、不銹鋼、黃

10、銅、銅鋅鑷合金。第四節(jié) 游絲二、游絲的結(jié)構(gòu)二、游絲的結(jié)構(gòu)游絲端部的固定方法游絲端部的固定方法三、游絲的特性三、游絲的特性 312aEIEbhMLL第四節(jié) 游絲四、游絲的設(shè)計(jì) * * 標(biāo)準(zhǔn)游絲標(biāo)準(zhǔn)游絲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB12159-90GB12159-90） * * 非標(biāo)準(zhǔn)游絲非標(biāo)準(zhǔn)游絲設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)與計(jì)算 已知：已知：原始數(shù)據(jù)通常為最大（?。┯谓z力原始數(shù)據(jù)通常為最大（小）游絲力矩矩M M2 2（M M1 1）和最大（?。┯谓z轉(zhuǎn)角）和最大（?。┯谓z轉(zhuǎn)角 2 2（ 1 1），），以及游絲的用途和安裝空間。以及游絲的用途和安裝空間。 求：求：游絲的寬度游絲的寬度b b、厚度、厚度h h、長(zhǎng)度、長(zhǎng)

11、度L L（圈數(shù)（圈數(shù)n n）及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。第四節(jié) 游絲（1 1）初定游絲圈數(shù)）初定游絲圈數(shù)n n和游絲寬厚比和游絲寬厚比u(=b/h)u(=b/h)（對(duì)標(biāo)（對(duì)標(biāo)準(zhǔn)游絲）準(zhǔn)游絲） 游絲圈數(shù)與總轉(zhuǎn)角有關(guān)，選取以使每圈轉(zhuǎn)角減游絲圈數(shù)與總轉(zhuǎn)角有關(guān)，選取以使每圈轉(zhuǎn)角減小為原則。小為原則。 寬厚比選擇以對(duì)滯后和后效的要求為主，兼顧寬厚比選擇以對(duì)滯后和后效的要求為主，兼顧減輕重量和制造工藝。減輕重量和制造工藝。使 用 條 件b/hb/hn n電工測(cè)量游絲（工作角約電工測(cè)量游絲（工作角約9090o o) )8 815155 51010機(jī)械表接觸游絲機(jī)械表接觸游絲( (工作角工作角300300

12、o o以上以上) )4 48 810101414手表振蕩條件下使用的游絲手表振蕩條件下使用的游絲3.53.51414左右左右第四節(jié) 游絲(2)(2)按結(jié)構(gòu)條件初定長(zhǎng)度按結(jié)構(gòu)條件初定長(zhǎng)度L L(3)(3)按特性條件確定寬度按特性條件確定寬度b b和厚度和厚度h(h(圓整為標(biāo)準(zhǔn)值）圓整為標(biāo)準(zhǔn)值）(4)(4)按強(qiáng)度條件校驗(yàn)最大應(yīng)力按強(qiáng)度條件校驗(yàn)最大應(yīng)力(5)(5)長(zhǎng)度長(zhǎng)度L L、圈數(shù)圈數(shù)n n、圈間距離圈間距離a a122DDLn412LMhuE26/()bbMbh31212212()2DDEbhLLnaMDDnbuh第四節(jié) 游絲第五節(jié) 片簧l片簧的分類(lèi)和用途按其外形分：直片簧按其外形分：直片簧a

13、a、彎片簧、彎片簧b b、c c按其截面形狀分：等截面片簧、變截面片簧按其截面形狀分：等截面片簧、變截面片簧按安裝情況分：有初應(yīng)力和無(wú)初應(yīng)力按安裝情況分：有初應(yīng)力和無(wú)初應(yīng)力 主要用于彈簧工作行程和主要用于彈簧工作行程和作用力均不大的情況。作用力均不大的情況。l直片簧的結(jié)構(gòu)第五節(jié) 片簧l直片簧的種類(lèi)按截面形狀：等截面、變截面按截面形狀：等截面、變截面按安裝情況：有初應(yīng)力片簧按安裝情況：有初應(yīng)力片簧a a、 無(wú)初應(yīng)力片簧無(wú)初應(yīng)力片簧b b有初應(yīng)力片簧和無(wú)初應(yīng)力片簧的特性 第五節(jié) 片簧第六節(jié) 熱雙金屬?gòu)椈蒷組成：組成：主動(dòng)層、從動(dòng)層主動(dòng)層、從動(dòng)層l應(yīng)用：應(yīng)用：溫度測(cè)量元件、溫度控制溫度測(cè)量元件、溫度

14、控制元件、溫度補(bǔ)償元件元件、溫度補(bǔ)償元件l材料材料 主動(dòng)層主動(dòng)層黃銅、錳鑷合金、鐵黃銅、錳鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金鑷鉻、鎳鉬合金 被動(dòng)層被動(dòng)層鐵鎳合金鐵鎳合金第七節(jié) 其它彈性元件簡(jiǎn)介l彈簧管壓力彈簧管彈簧管截面形狀l波紋管l膜片、膜盒a)平膜片 b)波紋膜片膜盒l(wèi)橡膠彈簧l空氣彈簧l油氣彈簧l異型彈簧元件 形狀記憶合金彈簧 波形彈簧End測(cè)量彈性元件彈簧秤、壓力表力彈簧鐘表發(fā)條、棘輪機(jī)構(gòu)中的彈簧彈性滯后現(xiàn)象彈性后效現(xiàn)象圓柱螺旋壓縮彈簧特性線(xiàn)特性線(xiàn)載荷與變形的關(guān)系載荷與變形的關(guān)系等節(jié)距圓柱螺旋彈簧的特性等節(jié)距圓柱螺旋彈簧的特性線(xiàn)是一條直線(xiàn)。線(xiàn)是一條直線(xiàn)。 最小載荷最小載荷 F F1 1(0.1(

15、0.10.5)F0.5)Fmaxmax最大載荷最大載荷F Fmaxmax由工作條件決由工作條件決定，一般定，一般F Fmaxmax 0.8F0.8F3 3。常數(shù)2211FF)(0HHKKF圓柱螺旋壓縮彈簧強(qiáng)度計(jì)算Tmax11.6/TdFK CT=FDcos/2彈簧絲直徑試算Mb=FDsin/2FQ=FcosFN=Fsin3max1max8dDFK圓柱螺旋壓縮彈簧剛度計(jì)算彈簧特性彈簧特性彈簧的有效圈數(shù)彈簧的有效圈數(shù)彈簧剛度彈簧剛度 38GdnFCGdnFCGdnFD34388nCGdnDGdF33488圓柱螺旋壓縮彈簧穩(wěn)定性計(jì)算彈簧的失穩(wěn)彈簧的失穩(wěn) 高徑比高徑比b bH H0 0/D/D穩(wěn)定性與彈簧兩端穩(wěn)定性與彈簧兩端的支承情況有關(guān)的支承情況有關(guān) 不失穩(wěn)的條件不失穩(wěn)的條件不失穩(wěn)的條件：彈簧兩端固定彈簧兩端固定 b5.3b5.3彈簧一端固定，另一端回轉(zhuǎn)彈簧一端固定，另一端回轉(zhuǎn) b3.7b3.7彈簧兩端回轉(zhuǎn)彈簧兩端回轉(zhuǎn) bFC 1.改變b值，使其小于 允許值