第11章弹簧设计_机械设计(华中科技大学)

第十一章弹簧设计一、概述1.弹簧的基本类型圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋压缩弹簧截锥螺旋压缩弹簧环形弹簧碟形弹簧圆柱螺旋扭转弹簧涡卷形弹簧板弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋扭转弹簧截锥螺旋压缩弹簧环形弹簧碟形弹簧涡卷形弹簧板弹簧拉伸压缩扭转弯曲螺旋形其他形状受载2.弹簧的功用吸振、缓冲完成预定的运动储存或释放能量测量力的装置3.弹簧的材料弹簧经常受到交变和冲击载荷(1)要求经久不变的弹力高的静强度和疲劳强度耐冲击良好的塑性变形热处理性能好(2)常用材料碳素弹簧钢：适于做小的或要求不高的弹簧合金弹簧钢；热处理性能好、用于受载较大的弹簧不锈钢：耐腐蚀按载荷性质弹簧分成三类I类：II类：III类：610N承受变载、冲击作用次数5310~10N承受变载、冲击作用次数310N承受变载或不太重要的弹簧作用次数非金属材料(橡胶弹簧等)二、圆柱螺旋拉、压弹簧的设计1.弹簧的结构(1)压缩弹簧两端面圈并紧磨平支承端面与轴线垂直LI、LII型：两端面圈并紧不磨平(2)拉伸弹簧LVII型：YI型：YIII型：挂钩可转任意方向、用于受力较大场合挂钩过渡处弯曲应力大、簧丝mmd10YI型YIII型LI型LII型LVII型2.弹簧的几何尺寸簧丝直径d外径D内径1D中径2D节距p螺旋升角压簧自由高度0H有效圈数n总圈数1n拉簧长度0HdDC2弹簧指数衡量弹簧曲率重要参数C(2Dd或)弹簧软、易变形容易绕制产生颤动、不稳定16~4C通常取或按表选3.弹簧的特性曲线(1)压缩弹簧弹簧所受载荷与变形的关系曲线自由高度0H未受载受minF高度1H变形minminmax21HHhlimlimmaxmaxminminFFFkmaxF受2H高度max变形limF受limH高度lim变形][产生的产生的应力达到材料剪切弹性极限工作行程弹簧刚度(2)拉伸弹簧自由高度0H未受载受minF高度1H变形minminmax12HHhlimlimmaxmaxminminFFFkmaxF受2H高度max变形limF受limH高度lim变形工作行程弹簧刚度无初应力的弹簧有初应力的弹簧绕制时各圈间有一定的压紧力，簧丝中产生一定的预紧力F0，当工作载荷大于F0时，弹簧才能伸长为产生假想变形量x的初拉力F0minmaxminmaxlimlimmaxmaxminmin0FFxFxFxFxFk弹簧刚度limmin2.0FFlimmax8.0FFlim)8.0~2.0(h0minFF(3)F与非线性关系时的特性曲线k'k'22DD上部：dDC2小k变形难(大)下部：dDC'2'大'k变形易(小)受载后，下部先压紧，上部再压缩4.弹簧的设计准则满足强度条件满足刚度条件满足稳定性条件满足强度条件满足刚度条件拉簧压簧强度条件刚度条件簧丝直径d弹簧圈数n稳定性验算(1)强度条件弹簧剖面的应力叠加后剪切应力最大值考虑弹簧曲率及螺旋升角的影响最大剪切应力最大扭剪应力3232816/2/dFDdFDT剪切力F剪应力2244/dFdFF转矩22DFTKdFD32max8CCCK615.04414)211(8)21(832232CdFDDddFDFT在靠近弹簧轴线的一侧max簧丝受扭是曲杆受扭内侧单位长度扭转变形大曲度系数强度条件式校核式：设计式；][832maxmaxKdDF][6.1maxCKFd(2)刚度条件外载F所做功＝弹簧储存变形能TF2121由材料力学知PIGlT转矩22DFT极惯性矩324dIP剪切弹性模量G受扭长度nDl2GdnFCFT38nCGdFk38max3max388FCGdkCGdn弹簧变形量：弹簧刚度：计算工作圈数：Ckk应圆整为0.5的整数倍且大于2nn(3)稳定性条件(对压缩弹簧)两端固定b5.3一端固定一端自由b3.7两端自由b2.6未满足上述要求，则需要进行稳定性验算临界载荷不稳定系数高径比20DHb0maxkHCFFBC20DHbBC5.弹簧的设计步骤(1)设计要求已知：尺寸限制和工况设计：其他尺寸绘制工作图最大工作载荷maxF最小工作载荷minF工作行程h簧丝直径d工作圈数n具体做法由强度条件确定簧丝直径d][6.1maxCKFd选CK预选'2DCDd'2'b比较和d'd由刚度条件确定弹簧工作圈数nn一般为0.5的整数倍，且大于2max3max8FCGdn压缩弹簧的稳定性验算][(2)实例1)初选C初选弹簧指数C75.26设计压簧，II类方式工作，端部并紧磨平mmDmmhNFNF2810500200maxmin初选簧丝直径d28/)(DddDC3.54.54碳素弹簧钢丝C级157015201520选簧丝抗拉强度b许用剪切应力][b4.0628608608曲度系数KCCCK/615.0)44/()14(1.211.31.25计算簧丝直径'd]/[6.1max'CKFd4.153.773.97不符取4.5取4设计内容设计依据方案1方案2方案32)计算n变形量max)/(minmaxmaxmaxFFhF16.716.7剪切模量G7900079000有效圈数n)8/(3maxmaxCFdGn10.556.1圆整11圆整6.53)实际变形量实际变形量max)/(83maxmaxGdCnF17.417.44实际变形量minhmaxmin7.47.44实际最小载荷minF3minmin8/nCGdF212.6218.6设计内容设计依据方案2方案3总圈数n1)5.2~2(1nn138.54)其他几何尺寸弹簧外径DdCdD27.928取取其中最小节距p1max/ndpd1.01d1.01d1.016.537.13自由高度H0dnpH5.1078.5852.35))/((2Dptgarc009~5无载时螺旋升角且5.085.085)稳定性验算计算bDHb/0两端固定时b5.33.362.18设计内容设计依据方案2方案3三、其它弹簧简介1.圆柱螺旋扭转弹簧扭矩T与扭转角为线性关系设计方法与圆柱螺旋拉、压弹簧相似强度条件变形条件簧丝直径d弹簧圈数n2.碟形弹簧刚度很大的压缩弹簧受轴向载荷锥角减小产生轴向变形U为弹簧所吸收的变形能卸载过程与加载过程重合吸收的能量全部释放加载近似为直线OA卸载为曲线OBA阴影面积为摩擦耗能0UUOAC面积为吸收的变形能UU0吸振能力3.环形弹簧受轴向载荷内环直径减小外环直径增大弹簧压缩刚度相当大的压缩弹簧卸载开始的AB段为直线，弹性内力需要先克服摩擦力，故不能立即恢复变形卸载为AB段和BO段UU0达70%，具有很大的消振能力4.板弹簧(1)矩形弹簧最大弯曲应力最大变形(2)梯形弹簧每个剖面的弯曲应力相等(3)重叠板弹簧将梯形板切成等宽块重叠起来形成板弹簧