弹簧基础

第十三章弹性元件§1概述一弹性元件的功用和分类1功用缓冲减振控制运动储存能量测量2分类按照受力变形分按照弹簧几何形状分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧螺旋弹簧片簧蜗卷弹簧碟形弹簧环行弹簧电气开关和仪器仪表中使用的热敏双金属片簧、膜盒、弹簧管等二弹簧元件的特性两种基本效应非弹性效应:指弹性元件的变形受其他因素(如时间温度、材料性质等)的影响所表现出来的性质.弹性效应:指弹性元件的变形仅仅是由于受载荷的影响所表现出来的性质,起具体参数为体现载荷和变形关系的刚度和灵敏度弹性特性直线型刚度渐增型刚度渐减型混合型弹性元件的弹性特性曲线刚度(F'):使弹性元件产生单位位移所需要的载荷FFMFM(或)TFTTFTTFTF——弹性元件所受的拉力或压力；——弹性元件所产生的拉、压变形；M和T——分别为弯矩和扭矩；——分别为断面转角和扭转角；和MFTF——分别称为抗弯刚度和抗扭刚度。和灵敏度(S):弹性元件承受单位载荷所产生的位移,它是刚度的倒数.SF三种弹性误差现象①弹性滞后:弹性元件在加载与卸载过程中，弹性特性曲线不相重合的现象②弹性后效:弹性元件的变形落后于载荷作用（加载或卸载）的现象弹性滞后曲线图弹性后效曲线③温度误差00[1()]tEEtttE——温度为t℃时的弹性模量；0E——在标准温度（一般为20℃）时的弹性模量；——弹性模量温度系数；00（t-t）---温度变化值（令t=t-t）三弹性元件的材料§2螺旋弹簧按外形分类圆柱形螺旋弹簧(图a)圆锥形螺旋弹簧（图b）抛物线形螺旋弹簧（图c)一圆柱形螺旋弹簧的形式和端部结构按载荷作用方式的不同圆柱形螺旋弹簧分以下三种形式：①拉伸弹簧（代号——L型）如图（a）所示②压缩弹簧（代号——Y型）如图（b）所示③扭转弹簧（代号——N型）如图（c）所示拉伸弹簧和压缩弹簧的固定方法压缩弹簧常通过将端圈磨平或通过凸台、凹槽来固定。如下图中（a）（b）（c）所示。拉伸弹簧常通过两端带有的构环来固定。如（d）（e）（f）等图所示。扭转弹簧的固定方法在工作扭转角不大的情况下采用下图（a）（b）所示的固定方法。在工作扭转角不较大的情况下可采用双股式扭转弹簧（图13-7(c)），也可采用作用在钩环上的载荷是力偶的结构（图13-7(d)）二螺旋弹簧的计算1．拉伸弹簧和压缩弹簧的计算在螺旋升角较小时，可认为弹簧丝仅承受扭转作用。这时，弹簧的轴向变量和它所承受的轴向载荷F的关系如下：3248FDnGd——在载荷F作用下弹簧的变形量；F——作用在弹簧上的载荷；2D——弹簧中径；n——弹簧的有效圈数；G——材料的切变模量；d——簧丝直径。弹簧的刚度为:4328FGdFnD扭转剪应力的最大值为:2max38FDd在进行强度计算时，还要考虑弹簧丝横截面的剪切作用和弹簧丝呈螺旋状对应力大小的影响，为此引入一个修正系数。故此时2max38FDKd注：修正系数为K410.61544CKCC式中，2,CDd称为弹簧的旋绕比。通常情况下C=4~16，设计时可参照下表选取。d/mm0.2～0.40.5～11.1～2.22.5～67～167～145～125～104～94～8旋绕比C的柬用值2．压缩弹簧的稳定性弹簧自由高度与中径之比成为弹簧的高径比，用02bHD压缩弹簧的失稳：当载荷达到一定值时，弹簧会突然发生测向弯曲，使弹簧刚度突然降低的现象称为压缩弹簧的失稳。为保证不失稳应满足的条件当弹簧两端固定时，b＜5.3当弹簧一端固定，另一端可转时，b＜3.7当弹簧两端可转时，b＜2.6在不满足上面三个条件的情况下进行强度计算，保证弹簧的最大工作载荷F2小于或等于保持弹簧稳定的临界载荷FC。即：'20≤CBFFCFH式中BC——不稳定系数；'F——弹簧刚度；0H——弹簧的自由高度。2cFF如果不满足则应重新选择参数，改变b值，提高FC。3．扭簧的计算2464MDnEd——在力矩M作用下扭转弹簧的转角；M——作用在扭转弹簧上的力矩；n——有效圈数；E——材料的弹性模量；d——簧丝直径。当扭簧工作时，产生的最大弯曲应力为max1332MKd1K——扭簧的曲度系数。14141CKC4．螺旋弹簧的许用应力弹簧的两种分类①按弹簧的工作特点和重要程度分Ⅰ类——工作时受动载荷作用，而且当弹簧损坏后将引起整个机构发生故障的弹簧；Ⅱ类——工作时受静载荷作用或载荷均匀地增加的弹簧；Ⅲ类——不重要的弹簧。②按弹簧承受载荷的性质不同分Ⅰ类——工作时交变载荷作用次数在106次以上；Ⅱ类——受交变载荷次数在103～105次以及受冲击载荷；Ⅲ类——受交变载荷次数在103以下。5．压缩弹簧和拉伸弹簧的特性曲线①压缩弹簧圆柱形压缩螺旋弹簧及其特性曲线如下图所示弹簧的弹性特性曲线为一直线，故其弹性特性（力与变形间的关系）遵从虎克定律，即力与变形成正比例关系maxmax111max0FFFFF常数——弹簧的工作行程max1。弹簧的最小载荷（即安装载荷）通常取1max(0.1～0.4)FF②拉伸弹簧圆柱形拉伸螺旋弹簧及其弹性特性曲线如下图所示§3片簧和热敏双金属片簧一片簧片簧是用狭长的金属带料和薄板料制成的弹性元件，最常见的工作方式为单端刚性固定（即呈悬臂梁状态）和两端铰支（即呈简支梁状态）两种。如下图所示片簧分为直片簧和曲片簧两种。利用片簧结构的电触点应用很广，下图为片簧的应用实例(a)为继电器的触头；(b)为压紧棘爪和棘轮以实现力封闭的弯曲片簧；(c)是作为压力计敏感元件的直片簧片簧的固定端常用螺钉固定，下图为三种端部固定形式。二热敏双金属片簧热敏双金属片簧，简称双金属片簧。它是由两层不同热膨胀系数的金属片牢固结合而成。主动层为热膨胀系数较大的一层。被动层为热膨胀系数较小的一层。由于两层金属的热膨胀系数不同，导致热膨胀量不等，使整个双金属片簧向被动层一面弯曲。（a）为常温状态,(b)为增温状态。材料的选择：1．主动层、被动层两种材料的线胀系数之差应尽可能大2．两种材料的弹性模量应接近，以扩大双金属弹簧的工作温度范围；3．要有良好的机械性能，便于加工；4．焊接容易。主动层采用黄铜、蒙铜和镍钼铁合金。§4其他类型的弹性元件简介一游丝和发丝游丝和发丝的结构示意图二膜片与膜盒膜片的边缘固定，受压力作用时产生弹性变形，其中心位移称为挠度。如图所示。其中（a）为平膜片，(b)为波纹膜片。(a)为压力膜盒(b)为真空膜盒(c)为填充式膜盒(d)为膜盒组三波纹管