機械設計基礎 彈簧 課件

主講人：田艷行spring機械設計基礎模塊九彈簧彈簧的功能、類型和材料圓柱螺旋彈簧的結構和制造圓柱螺旋彈簧的設計一二三彈簧的功能、類型和材料一一、彈簧的功能彈簧是一種彈性元件,由于材料的彈性和彈簧的結構特點,它具有多次重復地隨外載荷的大小而做相應的彈性變形,卸載后立即恢復原狀的特性,可以控制機件的運動、緩和沖擊或振動、貯蓄能量、測量力的大小等,廣泛用于機器、儀表中。其主要功能有以下幾點。(1)減振和緩沖,如車輛的懸掛彈簧、各種緩沖器和彈性聯(lián)軸器中的彈簧等。(3)測力,如測力器和彈簧秤的彈簧等。(3)儲存及輸出能量,如鐘表彈簧、槍栓彈簧、儀表和自動控制機構上的原動彈簧等。(4)控制運動,如控制彈簧門關閉的彈簧,離合器、制動器上的彈簧,控制內燃機氣缸閥門開啟的彈簧等。彈簧的分類方法很多。按照所承受的載荷不同,彈簧可分為拉伸彈簧[見圖(a)]、壓縮彈簧[見圖(b)、圖(c)]、扭轉彈簧[見圖(d)]等;按照形狀的不同,彈簧可分為螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、平面渦卷彈簧和板彈簧等。彈簧類型二、彈簧的類型壓縮彈簧螺旋彈簧是用金屬絲(條)按螺旋線卷繞而成的,由于制造簡便,因而應用最廣。其按形狀可分為圓柱形、截錐形。環(huán)形彈簧[見下圖(a)]和碟形彈簧[見下圖(b)]都屬于壓縮彈簧,在工作過程中因為一部分能量消耗在各圈之間的摩擦上,所以具有很高的緩沖吸振能力,多用于重型機械的緩沖裝置。二、彈簧的類型左圖所示為平面渦卷彈簧,或稱盤簧,它的軸向尺寸很小,常用作儀器和鐘表的儲能裝置。右圖所示為板彈簧,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。盤簧板彈簧二、彈簧的類型彈簧常在變載荷和沖擊載荷作用下工作,而且要求在受極大應力的情況下不產生塑性變形,因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強度極限、彈性極限和疲勞強度極限,不易松弛,同時要求有較高的沖擊韌性、良好的熱處理性能等。彈簧的常用材料有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼和有色金屬合金等。三、彈簧的材料1.碳素彈簧鋼

碳素彈簧鋼的優(yōu)點是價格便宜,原材料來源方便;缺點是彈性極限低,多次重復變形后易失去彈性,且不能在高于120℃的溫度下正常工作。2.低錳彈簧鋼低錳彈簧鋼與碳素彈簧鋼相比,優(yōu)點是淬透性較好和強度較高;缺點是淬火后容易產生裂紋及熱脆。但因為價格便宜,所以一般機械上常用的尺寸不大的彈簧可以用此種材料制造,如離合器彈簧等,常見型號如65Mn。四、減速器的設計步驟3.硅錳彈簧鋼硅錳彈簧鋼中因加入了硅,故彈性極限顯著提高,回火穩(wěn)定性也提高了,因此可在更高的溫度下回火,從而得到良好的力學性能。但含硅量高時,其表面易于脫碳。由于錳的脫碳性小,故在鋼中加入硅、錳這兩種元素,就是為了發(fā)揮各自的優(yōu)點,并減少彼此的缺點,因此硅錳彈簧鋼在工業(yè)中得到了廣泛的應用,一般用于制造汽車、拖拉機的螺旋彈簧,常見型號如60Si2MnA。四、減速器的設計步驟鋼中加入釩的目的是細化組織,提高鋼的強度和韌性,故50鉻釩鋼這種材料是耐疲勞和抗沖擊性能良好的彈簧鋼。它有良好的力學性能,并能在-40~350℃的溫度下工作,但價格較貴。航空發(fā)動機調節(jié)系統(tǒng)中的彈簧多采用此種材料,如柱塞油泵的柱塞彈簧等。此外,某些不銹鋼和青銅等材料,具有耐腐蝕的特點,青銅還具有防磁性和導電性,故常用于制造化工設備中或工作于腐蝕性介質中的彈簧。其缺點是不容易熱處理,力學性能較差,在一般機械中很少采用。四、減速器的設計步驟4.50鉻釩鋼

四、減速器的設計步驟4.50鉻釩鋼注:Ⅰ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)大于106,或很重要的彈簧;Ⅱ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)為103~105,或受沖擊載荷的彈簧,或受靜載荷的重要彈簧;Ⅲ類彈簧指受變載荷作用次數(shù)小于103,或受靜載荷的彈簧。四、減速器的設計步驟4.50鉻釩鋼四、減速器的設計步驟四、減速器的設計步驟圓柱螺旋彈簧的結構和制造二

圓柱螺旋彈簧又分為圓柱螺旋壓縮彈簧和圓柱螺旋拉伸彈簧。

圓柱螺旋壓縮彈簧的端部結構一、圓柱螺旋彈簧的結構1.圓柱螺旋壓縮彈簧的結構圓柱螺旋拉伸彈簧的螺旋結構與圓柱螺旋壓縮彈簧的基本相同,不同的是:在自由狀態(tài)下,圓柱螺旋拉伸彈簧各圈相互并攏,即間距等于零。這類彈簧可分為無預應力和有預應力兩種,前者的各圈雖然并緊,且相互間沒有壓緊力,故在自由狀態(tài)下彈簧絲中沒有預應力;而后者是在卷繞成形時,使彈簧絲繞其自身軸線扭轉,制成彈簧的各圈之間具有一定的壓緊力,故在自由狀態(tài)下彈簧絲中存在著一定的預應力。有預應力的拉伸彈簧主要用在要求彈簧軸向尺寸較小的場合。一、圓柱螺旋彈簧的結構2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結構圓柱螺旋拉伸彈簧的端部制出掛鉤,以便安裝和加載。常用的端部結構形式如圖所示。圓柱螺旋拉伸彈簧的端部結構一、圓柱螺旋彈簧的結構2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結構

改進的掛鉤形式一、圓柱螺旋彈簧的結構2.圓柱螺旋拉伸彈簧的結構圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)如下圖所示,具體如下。

圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

二、圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

二、圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)

圓柱螺旋彈簧的主要參數(shù)螺旋彈簧的制造過程包括卷繞、兩端面加工(指壓簧)或掛鉤的制作(指拉簧和扭簧)、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。三、彈簧的制造為了提高彈簧的承載能力,在彈簧制成后,可再進行強壓處理或噴丸處理等強化措施。強壓處理是使彈簧在超過極限載荷下受載6~48h;噴丸處理是用一定的速度向彈簧噴射鋼丸或鑄鐵丸。這兩種強化處理都是使彈簧的表層產生塑性變形,保留有利的殘余應力。由于殘余應力的方向恰與工作應力相反,故在彈簧受載時可抵消部分工作應力。經強化處理的彈簧不宜在較高溫度(150~450℃)和長期振動及有腐蝕介質的場合工作。三、彈簧的制造彈簧制作完成后,要根據(jù)技術條件的規(guī)定進行精度、沖擊、疲勞等試驗,以檢驗彈簧是否符合技術要求。需特別指出的是,彈簧的持久強度和抗沖擊強度在很大程度上取決于彈簧絲的表面狀況。因此彈簧的表面必須光潔,沒有裂紋和傷痕等缺陷,脫碳層深度應符合技術條件的規(guī)定。重要用途的彈簧還需進行表面保護處理(如鍍鋅),普通的彈簧一般涂油或漆。三、彈簧的制造圓柱螺旋彈簧的設計三下面討論的是在Ⅲ類載荷(靜載荷)作用下彈簧的應力、變形計算。

彈簧絲的應力分析一、圓柱螺旋彈簧的應力分析1.彈簧的應力計算

彈簧絲的應力分析一、圓柱螺旋彈簧的應力分析1.彈簧的應力計算

一、圓柱螺旋彈簧的應力分析1.彈簧的應力計算

一、圓柱螺旋彈簧的應力分析2.彈簧的變形計算不同彈簧絲直徑推薦用的旋繞比見下表。G、d、C、n對彈簧剛度都有影響,設計時應綜合考慮這些因素。一、圓柱螺旋彈簧的應力分析2.彈簧的變形計算

圓柱螺旋壓縮彈簧特性曲線二、特性曲線

圓柱螺旋拉伸彈簧特性曲線二、特性曲線在設計時,通常根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、結構要求(如安裝空間對彈簧尺寸的限制)等來決定簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、螺旋升角和彈簧長度等。其具體設計方法和步驟如下。(1)選擇材料,確定許用應力。①選擇材料,并查取其力學性能數(shù)據(jù)。②初選彈簧旋繞比C。通常可取C=5~8(極限狀態(tài)時不小于4或超過16),并按式(10-3)算出曲度系數(shù)k值。③根據(jù)初選C值及安裝空間估計彈簧中徑D2,估取彈簧絲直徑d,并由表10-1查取彈簧絲的許用應力。三、彈簧的設計步驟

三、彈簧的設計步驟

壓縮彈簧的失穩(wěn)導桿和導套三、彈簧的設計步驟

不穩(wěn)定系數(shù)值三、彈簧的設計步驟

(6)繪制彈簧工作圖。一張完整的彈簧工作圖,應包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)和技術條件等三方面的內容。幾何參數(shù)包括彈簧的形狀和尺寸;物理參數(shù)主要指變形與載荷的關系及相應變形下的載荷大小;技術條件則為彈簧滿足使用要求而需要達到的性能指標(如熱處理硬度)及需要采取的工藝措施(如強壓處理、噴丸處理、氧化處理或鍍鋅等)。三、彈簧