哈工大机械设计课程(授课老师赵小力)第21讲

《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力第十四章弹簧基本要求1）了解弹簧的功用、分类、材料、许用应力的确定2）掌握圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的主要几何参数、特性线、强度计算与刚度计算的目的和计算公式；重点和难点圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算。《机械设计》赵小力•弹簧的主要功用1、缓冲、吸振和隔震，车辆、沙发等14.1概述汽车减振板弹簧汽车减振螺旋弹簧自行车座弹簧《机械设计》赵小力•弹簧的主要功用2、控制机构的运动,如阀内弹簧、离合器中的控制弹簧、气门复位弹簧、圆珠笔等14.1概述《机械设计》赵小力•弹簧的主要功用3、储存和释放能量，如枪栓弹簧、钟表弹簧14.1概述《机械设计》赵小力•弹簧的主要功用4、测量和控制力的大小，如各类预紧弹簧、弹簧秤、压力继电器弹簧14.1概述《机械设计》赵小力弹簧的主要类型按所受载荷分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧《机械设计》赵小力按弹簧形状分螺旋弹簧环型弹簧盘簧板弹簧碟型弹簧弹簧的主要类型《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力14.2.1螺旋弹簧的制造14.2弹簧的材料、许用应力及制造《机械设计》赵小力14.2.1螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程（1）卷绕（2）钩环的制作或两端的加工(重要压缩弹簧磨平)（3）热处理（淬火+回火）（4）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。需要注意的是：1）卷绕方法－冷卷和热卷当d8mm用冷卷，然后低温回火处理；当d＝8mm用热卷，热卷温度按d大小，在800oC～1000oC之间选择，然后先淬火后回火处理。2）强化处理是最后处理。不允许再进行其他处理，也不允许在150oC～450oC和长期振动条件下工作，包括强拉强压和喷丸等。《机械设计》赵小力拉伸弹簧的端部结构压缩弹簧的端部结构弹簧端部结构制作《机械设计》赵小力14.2.2弹簧的材料弹簧材料要求1）较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性2）良好的热处理性能，热处理后经久不变的弹性，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弹簧材料常用弹簧材料：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢等；受力小、防腐蚀、防磁等：有色金属，如青铜；非金属弹簧材料：橡胶、塑料、软木及空气等。《机械设计》赵小力14.2.3许用（剪切和弯曲）应力与材料、载荷变化特性及弹簧的重要程度有关：1、Ⅰ类载荷—变载荷，交变次数106次，多数疲劳破坏；2、Ⅱ类载荷--静载重要弹簧、有冲击的弹簧或交变次数103～106次的弹簧，疲劳或静载破坏；3、Ⅲ类载荷--静载弹簧或交变次数103次以内的一般弹簧，静载破坏。注意表14.3（P287），与簧丝直径有关《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力此表中：B、C、D级是指弹簧丝材料的机械强度组别B——低应力弹簧C——中应力弹簧D——高应力弹簧初取C估取簧丝直径d根据空间初取D强度计算得d’结构设计《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算•设计计算内容有：1）确定结构形式和特性线2）选择材料和确定许用应力3）由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径4）由刚度条件确定弹簧的工作圈数5）确定弹簧的基本参数、尺寸等《机械设计》赵小力14.3.1几何尺寸和参数中径D、外径D2、内径D1节距p螺旋升角α(5～9o)弹簧丝直径d弹簧指数/旋绕比C:通常C=5～8工作圈数：nDCd《机械设计》赵小力14.3.2特性线压缩弹簧的工作过程b：渐增型a：直线型c：渐减型弹簧的载荷与变形的关系曲线：特性线《机械设计》赵小力圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线•λ1与λ2之差称为弹簧的工作行程h2112hHH•最小工作载荷：1lim(0.1~0.5)FF最大工作载荷2lim0.8FF•压缩弹簧余隙10.1d1F——弹簧的最小工作载荷或者预紧载荷1——弹簧的最小变形量或者预紧变形量2F——弹簧的最大工作载荷2——弹簧的最大工作变形量limF——弹簧的极限工作载荷（材料屈服）lim——弹簧的极限变形量b——弹簧各圈并紧时的全变形量•压缩弹簧初始间隙limn《机械设计》赵小力圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线012limbHHHHH自由高度最小工作高度最大工作高度极限工作高度并高度紧012lim12limbbHHHHHlim/1.67lim/1.25lim/1.12I类弹簧—II类弹簧—III类弹簧—《机械设计》赵小力圆柱型等节距拉伸螺旋弹簧及其特性线拉伸弹簧的中预应力的产生类似于拧绳。《机械设计》赵小力14.3.3弹簧的受力和应力0sin(5~9)tFF一般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而在B-B剖面上则作用有转矩当弹簧受载荷F作用时,在A-A剖面上将作用有扭转力矩和剪切力。/2FDFcos/2TFD弯矩sin/2FD切向力及法向力costFF该剖面上的应力可近似的取为TF《机械设计》赵小力转矩T引起的切应力T33/28/16TTTFDFDWdd切向力引起的切应力tFF224/4tFFFFAdd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323384881'1122FDFFDdFDdddDdC为了简化计算，弹簧丝的曲率忽略，将其近似看做直梁，故《机械设计》赵小力关于旋绕比（也称弹簧常数）C旋绕比C是弹簧设计中的一个重要参数。当簧丝直径d一定时，C值越小，曲率越大，内外侧应力差越大。因此，C值不宜取太小，通常取C＝4～16。推荐的不同簧丝直径的旋绕比如表所示。因为C值较大，所以《机械设计》赵小力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应力的分布将如图(d),其强度条件3288FDFCKKdd式中K称为曲度系数410.61544CKCC当按强度条件计算弹簧丝直径d时,应以最大工作载荷代替式中的,则得2FF2281.6KFCKFCdmm《机械设计》赵小力[τ]－弹簧材料的许用切应力，查表14.2弹簧丝直径d的设计特点（1）计算的簧丝直径应圆整为标准值；（2）（针对碳素弹簧钢丝而言）[τ]和C都与d有关，需要试算；先估取d，查C和[τ]，再按14.3计算d，比较，再计算，直到相符为止。也可先估取C＝5～8，再估取d，再试算。这种方法是机械设计和其他工程设计常用的方法。2281.6KFCKFCd《机械设计》赵小力14.3.4弹簧的变形和刚度圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生的轴向变形量为：33488FDnFCnGdGd（1）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧3228FCnGd（2）对于有初应力的拉伸弹簧32028FFCnGd0F为初拉力3'0028dFKD弹簧的强度计算只能确定簧丝直径d和弹簧直径D，弹簧的工作圈数n需要由刚度确定。《机械设计》赵小力弹簧的刚度用表示，拉伸和压缩弹簧的刚度为FKFdFKd定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为43388FFGdGdKCnDn讨论：1）KF与C3成反比，C值愈小，弹簧刚度KF愈大，弹簧愈硬，弹簧卷制愈难，工作时将引起较大的扭应力。满足要求的条件下，尽量取较大的C2）KF与簧丝直径d成正比，与圈数n成反比3）当簧丝直径d一定时，KF与D3成反比，弹簧直径越大越软从上述计算可知：弹簧圈数n取决于弹簧的变形或刚度，可通过上述公式计算得来，一般n≥2圈，压缩弹簧的总圈数n1＝n＋n2《机械设计》赵小力两端固定时一端固定另一端自由转动时两端均自由转动时5.3b3.7b2.6b14.3.5弹簧的稳定性0HD0HbD压缩弹簧的自由高度与中径之比，称为高径比，为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b值应满足下列要求：《机械设计》赵小力当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0cBFFCKHBC----不稳定系数0cBCH为保证弹簧的稳定性，最大工作载荷与临界载荷之间应满足以下关系2FcF22~2.5cFF高径比b《机械设计》赵小力•当条件限制不能改变参数时，可以采取的措施包括加导杆、导套，但应注意导杆或导套与弹簧之间的间隙，见表14.7•当稳定性达不到要求时，应重新选取参数，改变b值，提高Fc。《机械设计》赵小力14.3.6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=5～8，计算曲度系数K(2)根据初选C值及安装空间估计中径,估取簧丝直径d(3)选择材料，与直径d确定许用应力2.根据强度条件试算弹簧丝直径，校核后圆整。'd3.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。D《机械设计》赵小力《机械设计》赵小力随堂测试（3）一、齿轮传动、蜗杆传动和弹簧等章节中对许用应力都有专门描述，试分析其原因。二、滑动轴承和蜗杆传动均要进行热平衡计算，试述其原因。三、结构改错（p237，思考题与习题11.13）