机械设计基础-14弹簧

第14章弹簧●14.1弹簧的功用、类型和材料●14.1.1弹簧的功用●14.1.2弹簧的类型●14.1.3常用的弹簧材料及许用应力●14.2圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构和制造●14.2.1圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构●14.2.2圆柱螺旋弹簧的制造●14.3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计●14.3.1弹簧的特性曲线●14.3.2应力、变形和稳定性计算●14.3.3弹簧的主要参数和几何尺寸计算●14.3.4弹簧的设计计算●本章习题●14.1弹簧的功用、类型和材料弹簧是机械设备中广泛应用的一种弹性元件。它是利用材料的弹性和结构特点，通过变形提供弹性力和储存能量来进行工作的。与多数零件不同，对弹簧的主要要求是弹性好，能多次重复地随外载荷的大小作相应的弹性变形，卸载后又能立即恢复原状。弹簧的种类很多，按其形状的不同可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等。●14.1.2弹簧的类型●14.1.1弹簧的功用弹簧的主要功用有：①控制机构的运动或零件的位置，例如离合器、凸轮机构、阀门及调速器中的弹簧；②缓冲及吸振，例如汽车、火车车厢下的减振弹簧，各种缓冲器中的弹簧；③储存能量作为动力源，例如机械钟表、仪器、玩具等使用的发条，枪栓弹簧；④测量力和力矩，例如弹簧秤、测力器中的弹簧等。1.螺旋弹簧螺旋弹簧是用金属丝按螺旋线卷绕而成的。按照所能承受载荷的不同，分为拉伸弹簧[如图14.1(a)所示]、压缩弹簧[如图14.1(b)、(c)、(d)所示]、扭转弹簧[如图14.1(e)所示]等。按照轴向形状的不同，可分为圆柱形弹簧[如图14.1(a)、(b)、(c)、(e)所示]、圆锥形弹簧[如图14.1(d)所示]等。圆柱形弹簧因其受力与变形成正比，便于生产，故应用最广；圆锥形弹簧具有防共振的能力，稳定性好，多用于承受较大的载荷和减振。按照金属丝横截面形状的不同，分为圆形截面弹簧[如图14.1(a)、(b)、(d)、(e)所示]和矩形截面弹簧[如图14.1(c)所示]等。在所占空间相同时，后者能吸收的能量多。(a)圆柱形拉伸弹簧(b)圆截面圆柱形压缩弹簧(c)矩形截面圆柱形压缩弹簧(d)圆锥形压缩弹簧(e)扭转弹簧图14.1螺旋弹簧(a)环形弹簧(b)碟形弹簧(c)平面涡卷弹簧(d)板弹簧图14.2非螺旋弹簧2.环形弹簧和碟形弹簧环形弹簧[如图14.2(a)所示]和碟形弹簧[如图14.2(b)所示]都是压缩弹簧，在工作过程中，其一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上，因此具有很强的缓冲吸振能力，多用于重型机械的缓冲装置。3.平面涡卷弹簧这种弹簧又称盘簧[如图14.2(c)所示]，其轴向尺寸很小，常用做仪表和钟表的储能装置。4.板弹簧板弹簧[如图14.2(d)所示]是由许多长度不同的钢板叠合而成，主要用做各种车辆的减振装置。按制作弹簧材料的不同，弹簧还可分为金属弹簧和非金属弹簧。上述弹簧都是金属弹簧，而弹性套柱销联轴器中的弹性套是用橡胶制成的弹簧，图14.3所示为单囊式空气弹簧。下面仅介绍广泛使用的金属弹簧材料。图14.3单囊式空气弹簧●14.1.3常用的弹簧材料及许用应力1.弹簧的材料工作性质和条件对弹簧材料的要求是多方面的。为保证弹簧的变形始终在弹性范围内,弹簧材料必须具有较高的弹性极限；对于经常承受交变或冲击载荷的弹簧，其材料还应具有较高的疲劳极限和足够的韧性；为了便于弹簧的制造，材料还要具有良好的塑性和热处理性能等。弹簧的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。选择弹簧材料时，应充分考虑弹簧的工作条件、功用、重要性和经济条件等因素。碳素弹簧钢,如65、70、85钢等，其价格便宜，供应充足，热处理后具有较高的强度、适宜的韧性和塑性，故应用最广。但它的弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，不适合在高于120℃的温度下工作；弹簧钢丝直径大于12mm时，不易淬透，只适用于制造小尺寸的弹簧。2.许用应力弹簧丝常用材料的许用应力、特点及应用列于表14-1。许用应力与载荷性质有关，作用次数在次以上的变载荷属于Ⅰ类载荷，如内燃机阀门弹簧、电磁闸瓦制动器弹簧受到的载荷；作用次数在～次的变载荷以及冲击载荷属于Ⅱ类载荷，如调速器弹簧、一般车辆弹簧受到的载荷；作用次数在次以下的变载荷(即基本为静载荷)属于Ⅲ类载荷，如一般溢流阀弹簧、摩托车摩擦式安全离合器弹簧等受到的载荷。碳素弹簧钢丝的许用应力还与其抗拉强度极限有关，其抗拉强度极限见表14-2。按用于制作低应力、中等应力和高应力三种弹簧的情况，应分别选用B、C和D三个等级的碳素弹簧钢丝。610310610310合金弹簧钢，如硅锰钢和铬钒钢等，用于制作承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。有色金属合金，如硅青铜、锡青铜和铍青铜等，用于制作在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧。表14-1螺旋弹簧的常用材料和许用应力bbb表14-2碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限(MPa)在一般机械中，常用的是用圆截面金属丝绕成的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧。本章只讨论这种弹簧的结构、制造与设计。●14.2圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构和制造●14.2.1圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构1.圆柱螺旋压缩弹簧如图14.4所示，直径为d的弹簧丝，沿中径D旋绕，旋向为右旋(一般应采用右旋),螺旋升角；在自由状态下，高度为，节距为t，各圈之间有适当的间距，以便弹簧受压时有足够的变形空间，即在最大载荷作用下，各圈之间仍保留一定的间距，一般推荐mm。弹簧的端部结构如图14.5所示，其中YI型和YⅡ型弹簧两端各有0.75～1.75圈并紧圈，不参与变形，起支承作用，称为支承圈。弹簧能参与变形的圈数称为有效圈数。在重要的场合下，应采用两端圈并紧并磨平的YI型端部结构，以保证弹簧轴线与支承面垂直，从而使弹簧受压时不致于歪斜。磨平部分应不少于弹簧圆周长度的3/4,末端厚度约为d/4，一般端面的表面粗糙度值μm。0H110.10.2d≥25aR≤弹簧的总圈数等于有效圈数n与支承圈数之和，即为了使弹簧具有稳定的工作性能，设计时应使弹簧的有效圈数n≥2，支撑圈的圈数一般取1.5，2,2.5，推荐总圈数为0.5的倍数。1n2n12nnn2n图14.4压缩弹簧(a)YI型(b)YⅡ型(c)YⅢ型图14.5压缩弹簧的端部结构2.圆柱螺旋拉伸弹簧其螺旋结构与圆柱螺旋压缩弹簧的基本相同，不同的是：在自由状态下，圆柱螺旋拉伸弹簧各圈相互并拢，即间距等于零。这类弹簧可分为无预应力和有预应力两种，前者的各圈虽然并紧，且相互间没有压紧力，故在自由状态下弹簧丝中没有预应力；而后者是在卷绕成形时，使弹簧丝绕其自身轴线扭转，制成弹簧的各圈之间具有一定压紧力，故在自由状态下弹簧丝中存在着一定的预应力。有预应力的拉伸弹簧主要用在要求弹簧轴向尺寸较小的场合。为了便于安装和加载，圆柱螺旋拉伸弹簧端部制有挂钩(如图14.6所示)。LI、LIII型挂钩[如图14.6(a)、(b)所示]制造方便，应用很广，但加载时在挂钩根部的过渡圆角处会产生很大的弯曲应力，所以只适用于簧丝直径mm的弹簧。LVII、LVIII型挂钩[如图14.6(c)、(d)所示]是另外装上去的活动钩，所以没有上述缺点，而且挂钩可以绕弹簧轴线转到任意方向，便于安装。LVII型挂钩伸出的长度在一定范围内还可调，故在受力较大的场合，最好采用LVII型挂钩,但其价格较贵。对于LI、LIII型拉伸弹簧，总圈数等于有效圈数，即=n。10d≤1n(a)LI型(b)LIII型(c)LVII型(d)LVIII型图14.6拉伸弹簧的端部结构●14.2.2圆柱螺旋弹簧的制造圆柱螺旋弹簧的制造过程包括卷制、端面加工或挂钩的制作、热处理及工艺性试验等环节。螺旋弹簧在大量生产时，卷制工作在自动卷簧机上进行；单件或小批量生产时，则常在卧式车床或手工旋绕器上把弹簧丝卷绕在芯棒上成形。卷制分冷卷和热卷两种。当簧丝直径小，通常在8mm～10mm以下时，或弹簧直径较大易于卷绕时，一般采用冷卷法；冷卷的弹簧多用经过预热处理的冷拉碳素弹簧钢丝。如果簧丝直径大于8mm，或簧丝直径虽然较小，但弹簧直径也较小，或钢丝太硬，则需采用热卷法。热卷时的温度随簧丝的粗细在800℃～1000℃的范围内选择。不论采用冷卷或热卷，卷制后均应视其具体情况对弹簧的节距作必要的调整。对于重要的压缩弹簧，应在专用磨床上磨平端面；对于拉伸弹簧，两端应制出挂钩。冷卷后的弹簧不再淬火，可经过低温回火消除内应力；热卷后的弹簧则必须经过淬火和回火处理。弹簧制作完成后，要根据技术条件的规定，进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。弹簧的疲劳强度和抗冲击强度在很大程度上取决于弹簧的表面状态,所以弹簧的表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷，脱碳层深度应符合技术条件的规定。●14.3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计●14.3.1弹簧的特性曲线工作在弹性变形范围内的弹簧，承受轴向载荷后将发生弹性变形。如图14.7所示，圆柱螺旋压缩弹簧受载荷作用而产生压缩变形。若取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的弹性变形，可得到弹簧的载荷—变形曲线，这样的曲线称为弹簧的特性曲线。为了使弹簧稳定地处于工作位置上，通常预加一个最小工作载荷，这时弹簧的变形量为，长度为。当弹簧受到最大工作载荷F2作用时，变形量为,长度为。最大工作载荷下的变形量与最小工作载荷下的变形量之差，称为弹簧的工作行程，用h表示，即(14.1)1F122H1H2121h使弹簧丝的应力达到材料弹性极限时的载荷称为极限载荷。在其作用下，弹簧的变形量为，长度为。limFlimlimH通常取弹簧的最小工作载荷F=(0.1～0.5)F2。最大工作载荷F2由弹簧在机构中的工作条件决定，但不应达到极限载荷，一般取F2≤0.8。在弹性极限范围内，对于节距相等的圆柱螺旋弹簧，其载荷与变形基本成线性关系，即认为limFlimF1212FFk(14.2)图14.7圆柱压缩弹簧的特性曲线式中，k称为弹簧的刚度，是表示弹簧特性的主要参数之一。刚度越大，弹簧产生单位变形所需要的力越大，因此弹簧的弹力也越大。受载和变形的关系，对于圆柱螺旋拉伸弹簧和圆柱螺旋压缩弹簧都是一样的，不同的只是一个受拉力作用，产生拉伸变形，另一个受压力作用，产生压缩变形，故不再对圆柱螺旋拉伸弹簧进行受力分析。图14.8所示是圆柱螺旋拉伸弹簧的受载与变形、无预应力的特性曲线、有预应力的特性曲线。对于有预应力的圆柱螺旋拉伸弹簧，受载时先要抵消卷制时在各圈之间产生的预压力F0，然后才开始变形。因此，在确定弹簧的最小工作载荷时,应使，并以和分别代替式(14.2)中的和计算弹簧的刚度。10FF10FF20FF1F2F弹簧特性曲线应绘在弹簧的零件工作图中，作为检验和试验的依据之一。在设计弹簧时，利用特性曲线分析载荷与变形的关系也比较方便。但是，一般弹簧的特性曲线并非直线，如圆锥弹簧[如图14.l(d)所示]和变节距(t≠常数)弹簧；圆柱螺旋弹簧的特性曲线只是近似的直线，矩形截面弹簧的特性曲线近似直线的程度比圆形截面弹簧的还好。图14.8圆柱拉伸弹簧的特性曲线●14.3.2应力、变形和稳定性计算下面讨论的是在Ⅲ类载荷(静载荷)作用下弹簧的应力、变形和稳定性计算。1.应力计算应力计算的目的是确定簧丝的直径。图14.9(a)所示是被截去下部的压缩弹簧，截面通过弹簧的轴线。弹簧在最大工作载荷F2作用下，该截面上作用着剪力F2和扭矩。由于弹簧的螺旋升角很小(通常在5°～9°范围内)，为简化计算，把该截面作为弹簧丝的法截面，即截面积为圆面积；同时考虑到剪力引起的应力远比扭矩引起的应力小，亦将其略去。由材料力学可知，弹簧丝截面上的最大应力为22DTF2max28πFDd精确的分析应该计入弹簧丝升角和曲率的影响，此时弹簧丝截面上应力分布如图14.9(b)所示，在其内侧点处有最大值。为补偿上述简化计算带来的误差,引入曲度系数K，且令，C称为旋绕比，则弹簧丝的强度条件为a/CDd22max3288[]ππFDFKKCdd≤(14.3)(a)