弹簧的设计讲诉.ppt

弹 簧 1 弹簧概述 2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、 材料及许用应力 3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 5 其它弹簧简介 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; 如凸轮机构、离合器、阀门等； 1 弹簧的功用和类型 3. 存储能量; 如钟表仪器中的弹簧； 4. 测量力的大小 ；如弹簧秤中的弹簧 螺旋 弹簧 圆柱形 截锥形 按形状分 按受载分 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 5. 改变系统的自振频率 分类 2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧； 本章内容 分类 螺旋弹簧 圆柱形 截锥形 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 仪表中储能用 板弹簧 碟形弹簧 潘存云教授研制 潘存云教授研制 2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力 一、圆柱螺旋弹簧的结构形式 压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距δ 潘存云教授研制 δ 支承圈或死圈——两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站 立平直，这部分不参与变形 不磨平 磨平 端部磨平——重要弹簧 端部不磨平—— 一般用途 磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4 d/4 压缩弹簧的总圈数 ： n1 = n+(1.5~2.5) 为使工作平稳，n1的尾数取 1/2 变形用 n为有效圈数 1. 圆柱螺旋压缩弹簧 潘存云教授研制 2. 拉伸弹簧 （1）各圈相互并紧δ=0； （2）制作完成后具有初拉力； （3）端部做有拉钩，以便安装 和加载。

拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型 、转钩、可调转钩 潘存云教授研制 改进后的结构 拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同 潘存云教授研制 特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力 大应用于中小载荷与不重要的场合 特点：弯曲应力小适用于变载荷 的场，但成本较高 二、弹簧的制造 制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧 或扭簧）、热处理和工艺性试验 潘存云教授研制 冷卷：d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧 优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧 选用原则： 充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温 度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素一般 应优先采用碳素碳簧钢丝 2. 弹簧的许用应力 弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质 、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等 弹簧按载荷分为三类： I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧 II类弹簧：受变载荷作用次数在103 ~ 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧 III类弹簧：受变载荷作用次数在103 疲劳强度和静应力强度校核 ▲循环次数 N≤103 静强度校核 Flim FO λ λ2 λ1 τ O t D2 F (a)疲劳强度校核 F1——安装载荷； λ1——预压变形量； F2——最大载荷； λ2——最大变形量； 强度条件 F1 F2 τmin τmax 当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取 SF=1.3~1.7； 当精确性低时，取：SF=1.8~2.2。

τ0的含义按下页表选取 F 潘存云教授研制 F (b)静强度校核 强度条件 变载荷作用次数N 104 105 106 107 τ0 0.45σB 0.35σB 0.33σB 0.30σB 表6 弹簧材料的脉动循环极限τ0 当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取： SS =1.3~1.7； 当精确性低时，取： SS =1.8~2.2 ②振动验算 对于承受变载荷的弹簧，当加载频率很高时， 容 易引起弹簧的谐振而导致弹簧破坏因此要进行振动 验算，以保证工作频率远低于基本自振频率 圆柱螺旋弹簧的基本自振频率为 将kF和mS代入后，可得 其中弹簧刚度 弹簧质量系数 为避免弹簧发生严重振动，要求 当不能满足以上要求时，应重新设计，增大kF或减小mS 潘存云教授研制 失稳 当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳 高径比 b= H0 / D2 10~30 30~50 50~80 80~120 120~150 间隙C 0.6 1 2 3 4 5 6 7 表7 导杆、导套与弹簧间的直径间隙 一、圆柱螺旋扭转弹簧的结构 结构: 特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。

4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 扭转弹簧的轴向长度 H0=n(d+δ0)+2Hh n——有效圈数； δ0 NI型 潘存云教授研制 NIV型 潘存云教授研制 NIII型 潘存云教授研制 NII型 H0 T T Hh δ0 ——轴向间距，一般取δ0 =0.1~0.5 mm． d d——簧丝直径; 2Hh ——挂钩长度; 二、扭转弹簧的特性曲线 T T 在材料的弹性极限内，扭转弹 簧的载荷(扭矩)与变形(转角) ， 特性曲线也是呈线性变化 T φ Tlim 、φlim ——极限工作扭转及极限转角; Tmax 、φmax ——最大工作扭转及转角; Tmin 、φmin ——最小工作扭转及转角; 一般取 Tmin =(0.1~0.5) Tmax 应用实例：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机 中保持电刷的接触压力等 潘存云教授研制 潘存云教授研制 T T φ φlim T lim T max φmax T min φmin 强度条件 扭转变形 W——截面系数 [σ ] ≈ 1.25[τ] E——材料弹性模量，I——簧丝截面惯性矩， n——弹簧有效圈数， D2——弹簧中径 三、圆柱螺旋扭转弹簧的计算 在扭矩T作用下，簧丝任意截面B—B内的载荷为 弯矩—— M=Tcosα 因为α很小，则可认为扭簧只承受弯矩 M≈T 扭矩—— T’=Tsinα M M 潘存云教授研制 T T φ T ’B B α M T D2 刚度 （1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间 隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。

（2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致弹簧内侧 的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉） 反向（抵消），从而提高承载能力 （3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙避免因D2 减小而抱轴 设计要点： 已知条件：最大工作载荷Fmax和相应的变形λmax，其 它要求（如工作温度、安装空间的限制等） 设计确定：弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧 的螺旋升角和长度等 四、圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤 计算步骤： (1)选择弹簧材料及许用应力，以及扭簧的结构形式； (3)根据安装空间初设弹簧中径D，由C值估取弹簧 丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力； (4)试算簧丝直径d’ (2) 选择旋绕比C，通常可取C ≈5 ~8，并算出补偿系 数K1值； 检查尺寸是否合适 (5)根据变形条件求出弹簧工作圈数 (6)计算弹簧丝长度 环 形 弹 簧 潘存云教授研制 板 簧 潘存云教授研制 5 其它弹簧简介 涡卷弹簧 碟 形 弹 簧 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 1234 O F y /t 一、碟形弹簧 结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子往往将多个组合使用 载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。

特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化 重要特性：当h/t≈1.5时，中间一段接近于水平 利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定例如在精密 仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影 响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响 F 簧片变平点 D1 t h D h t =1.5 h t =2.75 h t =0.5 潘存云教授研制 F λ 加载 卸载 碟形弹簧组合形式 对合式组合弹簧——变形量增加，承载力不变 由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样 ↑  吸振能力↑ 复合式弹簧： 潘存云教授研制 叠合式组合弹簧—— 潘存云教授研制 摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振 在变形量不变时，承载力大大增加 摩擦消耗的能量——阴影面积 可同时增加变形量和 承载能力 潘存云教授研制 优点： 变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小 用途： 常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在 离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广 泛地应用 缺点： 用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工 精度、热处理）要求较严，制造困难 潘存云教授研制 所消耗的能量 F b O F λ A 加载 B 卸载 二、环形弹簧 工作原理：在轴向载荷的作用下，内外圆环的接触面 之间将产生很大的法向反力，迫使内环直径减小、外 环直径加大；当卸载后，由于环的角大于摩擦角，弹 簧在弹性内力的作用下复原。

特性曲线：加载曲线与卸载曲线不重合，摩擦耗能大 由于内外圆环的接触锥面之间产生很大的摩擦力，工作中由于克服摩擦力而消耗很多能量 应用：因具有很强的缓冲吸振作用，常用于缓冲装置 λmax T max AB段为弹 簧内力克服 静摩擦力的 情况 F F F β 潘存云教授研制 结构特点：由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一 种压缩弹簧 潘存云教授研制 A 潘存云教授研制 U 所储能量 φmax T max T max φmin φ T b s 弹簧丝截面 特性曲线： 三、平面蜗卷弹簧（发条弹簧） 结构特点：形状呈阿基米德螺线，外端固定在活动构 件上，内端固定在心轴上，截面呈矩形 作用：积蓄能量，带动活动构件运动，完成机构所需 要的动作 载荷：外载荷是扭矩，簧丝截面受弯矩受力与圆柱螺旋扭簧相同 应用实例：仪表机构的发条及武器的发射弹簧 T T 由于结构原因，中间段呈直线，两端不是 潘存云教授研制 所消耗的能量 四、板弹簧 λ F λmin Fmin 结构特点：由若干片长度不等，曲率不同的弹簧钢板 组合而成装配后产生初应力，以提高强度与工作变形相反 特性曲线：夹在时板簧的弯曲变形量与载荷成正比； 由于有摩擦，卸载时曲线不是直线。

应用：板簧主要用在车辆悬挂装置中，起减振作用 F max λmax 潘存云教授研制 。