机械制图弹簧的设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,圆柱螺旋弹簧,圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算,机械制图弹簧的设计,弹簧的类型和特点,其他类型弹簧简介,工程背景,弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形并吸收一定的能量，当外载荷卸除后，弹簧又能迅速地恢复原来的形状，并释放出吸收的能量。,用 途,实 例,弹,簧,控制机,构的运动,制动器、离合器中的控制弹簧，,内燃机汽缸的阀门弹簧等,减振和,缓冲,汽车、火车车厢下的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等,储存及,输出能量,钟表弹簧、枪闩弹簧等,测量力,的大小,测力器和弹簧秤中的弹簧等,第,16,章 弹簧,设计者思维,作为工程师，在设计弹簧时，需要考虑以下几个问题：,如何选择弹簧的类型？,制造弹簧的材料是什么？,有何特殊要求？,弹簧的尺寸如何确定（弹簧丝的直径、内径、外径、中,径、弹簧的长度）？,弹簧的有效圈数是多少？,弹簧的端部形状要满足什么要求？,弹簧的刚度是多少？,在一个工作循环中弹簧力的变化情况如何？,最大作用力和最小作用力是多少？,弹簧丝所受到的应力是多少？,弹簧的工作寿命有多长？,设计出的弹簧能否满足环境条件的要求？,第,16,章 弹簧,设计者思维,简单实例,图,16-1,所示的是某内燃机汽缸的阀门弹簧，随着凸轮的旋转，推动挺杆做上下运动，挺杆带动摇臂摆动，摆动的摇臂推动阀门杆启闭阀门，从而完成内燃机进排气控制。在凸轮回程时，阀门弹簧提供作用力，使挺杆与凸轮保持接触，阀门回复到初始闭合状态。,图,16-1,内燃机汽缸的阀门弹簧,第,16,章 弹簧,弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于：,控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制,弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。,（,3,）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。,（,4,）,测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。,（,2,）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧，,以及各种缓冲器用的弹簧等。,16.1,弹簧的类型和特点,第,16,章 弹簧,3,1,3,2,3,3,3,4,1,弹簧的类型,按照所承受的载荷不同,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,弯曲弹簧,按照弹簧的形状不同,螺旋弹簧,碟形弹簧,板簧,平面涡卷弹簧,2,弹簧的特点,弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生永久变形，因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。,以圆柱螺旋压缩弹簧为例，当其承受轴向载荷,F,时，弹簧将产生相应的弹性变形，如图,16-2,所示。为了表示弹簧的载荷与变形的关系，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系。,这种表示载荷与变形关系的曲线称为弹簧的特性曲线。,图,16-2,圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线,16.2,圆柱螺旋弹簧,结构,1,圆柱螺旋压缩弹簧,如图,16-3,所示，弹簧的节距为,p,，在自由状态下，各圆之间应有适当的间距,d,，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍保留一定的间距,d,1,，其大小一般推荐为,d,为弹簧丝的直径（,mm,）,图,16-3,圆柱螺旋压缩弹簧,弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧（无间隙）。由于它们只起支承作用，不参与变形，故称为,死圈,。,当弹簧的工作圈数,n,7,时，弹簧每端的死圈约为,0.75,圈；,当,n,7,时，每端的死圈为,1,1.75,圈。,弹簧端部的结构有多种形式，最常用的是两个端面圈均与邻圈并紧且磨平的,YI,型，如图,16-4,所示。,2,圆柱螺旋拉伸弹簧,如图,16-5,所示，当圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。,为了节省轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成的弹簧，各圈相互间既具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了一定的预紧力，故称为,有预应力的拉伸弹簧,。,这种弹簧一定要在外加的拉力大于初拉力,F,0,后，各圈才开始分离，故比无预应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间。,拉伸弹簧的端部制有挂钩，以便安装和加载。挂钩的形式如图,16-5,所示。其中,L,型和,L,型制造方便，应用很广。,但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只适用于弹簧丝直径,d,10 mm,的弹簧中。,L,型挂钩不与弹簧丝连一体，适用于受力较大的场合。,制造,螺旋弹簧的制造工艺包括卷制、挂钩的制作或端面圈的精加工、热处理、工艺试验及强压处理。,卷制,冷卷,热卷,用于经预先热处理后拉成的直径,d,(8,10)mm,的弹簧丝；,用于直径较大的弹簧丝，可制作强力弹簧。热卷时的温度，应为,800,1000,。,弹簧在完成上述工序后，均应进行热处理。,冷卷后的弹簧只做回火处理，以消除卷制时产生的内应力；,热卷后的弹簧需要经淬火及中温回火处理。,热处理后的弹簧，表面不应出现显著的脱碳层。,此外，弹簧还需进行工艺试验和根据弹簧的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。,要特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况，所以弹簧丝表面必须光洁。,附表,16-1,普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（摘自,GB/T 13581993,）,材料及许用应力,为了使弹簧工作可靠，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。几种常用弹簧材料的性能见附表,16-2,。,附表,16-2,弹簧常用材料（摘自,GB/T1239.61992,）,常用弹簧钢主要有下列几种。,（,1,）,碳素弹簧钢,（如,65,号钢、,70,号钢）的优点是价格便宜，原材料来源方便，但多次重复变形后易失去弹性，且不能在高于,130,的温度下正常工作。,（,2,）,低锰弹簧钢,（如,65Mn,）与碳素弹簧钢相比，优点是淬透性较好和强度较高；缺点是淬火后容易产生裂纹并具有热脆性。但由于其价格便宜，所以一般机械上常用于制造尺寸不大的弹簧，如离合器弹簧等。,（,3,）,硅锰弹簧钢,（如,60Si,2,MnA,）中因加入了硅，故可显著地提高弹性极限，并提高了回火稳定性。因而，该弹簧钢可在更高的温度下回火，从而得到良好的力学性能。硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用，一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。,在选择材料时，应考虑弹簧的用途、重要程度、使用条件（包括载荷性质、大小及循环特性，工作持续时间，工作温度和周围介质情况等），以及加工、热处理和经济性等因素。同时，也要参照现有设备中使用的弹簧，选择出较合用的材料。,几种常用弹簧材料的许用切应力 见附表,16-4,，可供设计时参考。碳素弹簧钢丝和,65Mn,弹簧钢丝的拉伸强度极限按附表,16-3,选取。,附表,16-3,弹簧钢丝的抗拉强度,s,b,（摘自,GB/T1239.6,1992,）,附表,16-4,弹簧钢丝的许用应力（摘自,GB/T1239.61992,）,16.3,圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算,1,几何参数计算,圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有,：弹簧丝直径,d,、,外径,D,、,内径,D,1,、,中径,D,2,、,节距,p,、,螺旋升角,、自由高度（压缩弹簧）或长度（拉伸弹簧）,H,0,。此外还有有限圈数,n,，,总圈数,n,l,。,普通圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的结构尺寸计算公式，可见表,16-2,。,表,16-2,普通圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的结构尺寸计算公式,（摘自,GB/T1239.6,1992,）,2,圆柱螺旋弹簧受载时的应力,圆柱螺旋弹簧丝的截面多为圆截面，也有矩形截面的情况。下面的分析主要针对圆截面弹簧丝的圆柱螺旋弹簧。当圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。如图,16-6,所示，分析圆形截面弹簧丝的圆柱螺旋压缩弹簧承受轴向载荷,F,的情况。,由图,16-6(a),可知，由于弹簧丝具有螺旋角 ，故在通过弹簧轴线的截面,A,-,A,上，弹簧丝的截面呈椭圆形，而在弹簧丝的法线截面,B,-,B,上，弹簧丝截面呈圆形。截面,A,-,A,与截面,B,-,B,之间的夹角等于螺旋角,a,。,一般情况下，螺旋角,a,10,，因此可以近似地认为,a=,0,。这样就可以近似地用截面,B,-,B,代替截面,A,-,A,，从而使计算大为简化。,现分析图,16-6(b),所示截面,A,-,A,上的受力情况，由于,弹簧,丝承受轴向载荷,F,的作用，因此在该截面上起主要作用的是由切向力,F,产生的切应力 和由转矩,T,=,FD,/2,产生的扭转切应力 ，这样截面上的应力可以近似地取为,对于直径,d,的圆截面 ，代入上式得,式中，,C,=,D,/,d,称为,旋绕比（或弹簧指数）,。为了使弹簧本身较稳定，不致颤动和过软，,C,值不能太大；但为了避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，,C,值又不应太小。,C,值的范围为,4,16,，,表,16-3,旋绕比,C,的荐用值（摘自,GB/T1239.6,1992,）,材料直径,d,/mm,0.2,0.4,0.5,1.0,1.1,2.2,2.5,6.0,7.0,16,18,旋绕比,C,7,14,5,12,5,10,4,9,4,8,4,16,图,16-6(c),是切向力引起的切应力的分布简图；图,16-6(d),是转矩引起的切应力的分布简图；图,16-6(e),是上述两种应力的合成简图。实际上由于弹簧丝螺旋角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力如图,16-6(f),所示。由图,16-6(f),可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的点,h,上。,实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。,为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个曲度系数,K,，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为,3,圆柱螺旋弹簧受载时的变形,圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧受载后的轴向变形量,n,为弹簧的有效圈数，,G,为弹簧材料的切变模量。,使弹簧产生单位变形所需的载荷,k,F,称为,弹簧刚度,。,弹簧刚度是表示弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度越大，所需的力越大，弹簧的弹力就越大。,影响弹簧刚度的因素很多，其中,k,F,与,C,的的三次方成反比，即,C,值对弹簧刚度的影响很大,。所以，,合理选择,C,值就能控制弹簧的弹力,。,4,弹簧的试验载荷,F,s,试验载荷,F,s,为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大载荷。,F,1,F,2,F,n,为弹簧的工作载荷。为了保证指定高度时的载荷，弹簧变形量应为试验载荷下变形量的,20,80,，即,在需要保证弹簧刚度的特殊情况下，工作载荷下的变形量应为试验载荷下变形量的,30,70,。,试验载荷为弹簧允许承受的最大载荷,5,弹簧的稳定性,对于压缩弹簧，若其长度较大，则受力后容易失去稳定性。为了便于制造及避免失稳现象，一般根据压缩弹簧的长细比,b,=,H,0,/,D,来判断其稳定性，如下：,（,1,）当两端固定时，取,b,5.3,；,（,2,）当一端固定、另一端自由转动时，取,b,3.7,；,（,3,）当两端自由转动时，取,b,2.6,。,若条件受到限制而不能改变参数，则应加装导杆或导套。,3,1,3,2,3,3,6,弹簧的疲劳强度,对于循环次数较多、在变应力下工作的重要弹簧，还应该近一步对弹簧的疲劳强度进行验算。校核时由变载荷的循环特性和抗拉强度,s,b,，从图,16-7,中查取其疲劳寿命（循环作用次数）来进行验算。图,16-7,中,max,/,s,b,=0.45,的横线是不产生永久变形的极限值。,图,16-7,圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的疲劳寿命图,7,弹簧的共振,对于高速运转中承受循环载荷的弹簧，需要对其自振频率进行计算，其验算公式为,式中，,g,n,为弹簧自振频率（,Hz,），,g,r,为强迫机械振动频率（,Hz,）。,对于减振弹簧，按下式验算：,式中，,k,为弹簧刚度（,N/mm,），,g,为,重力加速度,（,g,=9800 mm/s,2,），,W,为载荷（,N,）。,【,工程实例,16-1】,自行车支脚弹簧计算,已知自行车支脚弹簧为圆柱拉伸弹簧，钢丝直径,d,=1.6 mm,D,2,=11.6 mm,n,=12,圈，材料为碳素钢丝（,GB4357,）,B,级，受静载荷，问该弹簧工作时最多可拉伸多少？,解：,只要先求出弹簧丝在试验应力下的,最大工作载荷,F,s,，就可以求出该弹簧的最大伸长量,l,s,。,（,1,）由弹簧材料为,碳素钢丝（,GB4357,）,B,级,和载荷性质，查附表,16-2,、附表,16-3,和附表,16-4,，则有弹簧丝的切变模量,G,=79000,MPa,。,附表,16-2,弹簧常用材料（摘自,GB/T1239.61992,）,附表,16-3,弹簧钢丝的抗拉强度,s,b,（摘自,GB/T1239.6,1992,）,附表,16-4,弹簧钢丝的许用应力（摘自,GB/T1239.6,1992,）,按,类拉伸弹簧取许用应力,p,=,s,=0.4,s,b,，当,d,=1.6 mm,时，,s,b,=1570,MPa,，则,s,=0.4,s,b,=0.4 1570=628,MPa,（,2,）求试验应力,s,下的最大载荷，其中弹簧丝中径,D,=,D,2,-,d,=10 mm,，则,（,3,）求最大载荷,F,s,下的变形量，则,故此弹簧工作时，最多可拉伸,18.7 mm,。,【,工程实例,16-2】,气动阀门中圆柱螺旋压缩弹簧设计,试设计一个在变载荷、常温下工作的气动阀门中圆柱螺旋压缩弹簧。已知最大工作载荷,F,max,=180N,，最小工作载荷,F,min,=,100N,，工作行程,h,=5mm,，弹簧外径不大于,16mm,，工作介质为空气，两端固定支承，载荷作用次数不超过,10,6,。,解：,设计过程和步骤如下：,（,1,）选择材料。弹簧在变载荷、常温下工作，对工作的可靠性要求高，载荷作用次数不超过,10,6,，按,类弹簧来考虑。又由于尺寸较小，故选用,65,Mn,弹簧钢丝，热处理：采用油淬火回火，表面硬度达到,45,50HRC,。,（,2,）计算弹簧钢丝直径,d,及确定弹簧中径,D,。,若选取弹簧钢丝直径为,2.5mm,，则,D,=,D,2,-,d,=16,-,2.5=13.5mm,。,由附表,16-1,选取弹簧中径,D,=12 mm,，则旋绕比,C,=,D,/,d,=12/2.5=,4.8,。,曲度系数 。根据估选的弹簧丝直径,d,=2.5,，查附表,16-4,，可知,p,=455,MPa,，有,附表,16-1,普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（摘自,GB/T 13581993,）,附表,16-4,弹簧钢丝的许用应力（摘自,GB/T1239.61992,）,与估值接近，取弹簧丝直径为,2.5mm,，,则,D,2,=,D,+,d,=12+2.5=14.5 16mm,，符合题目要求。,（,3,）计算弹簧圈数,n,。由工作条件说明，得弹簧刚度为,根据附表,16-2,取,G,=79000,MPa,，则弹簧圈数为,取有效圈数,n,=14,。,取支承圈,n,2,=2,，,则总圈数,n,1,=,n,+,n,2,=14+2=16,。,附表,16-2,弹簧常用材料（摘自,GB/T1239.61992,）,（,4,）弹簧刚度的校核，即,与所需刚度基本符合。,（,5,）计算弹簧变形量，则,最小工作变形量,l,min,=,F,min,/,k,f,=100/15.94=6.3mm,最大工作变形量,l,max,=,F,max,/,k,f,=180/15.94=11.3mm,实际工作行程,h,0,=,l,max,-,l,min,=11.3,-,6.3=5.0mm,（,6,）几何尺寸计算。,节距,p,=(0.28,0.5),D,=3.36,6 mm,，取,p,=3.5 mm,。自由高度（两端并紧，磨平），当支承圈,n,2,=2,时，根据表,16-2,有,p,n,+1.5,d,=3.5 14+1.52.5=52.75mm,根据附表,16-1,，取弹簧自由高度为,52 mm,。,螺旋角取右旋，则,展开长度为,（,7,）计算试验载荷及其变形量。,由附表,16-4,查得,65Mn,的试验切应力的最大值为,570,MPa,。,按,类载荷弹簧考虑，取试验切应力,s,=1.2,p,=1.2 455=546,MPa,570,MPa,，故未超过最大值,试验载荷下的变形量,l,s,=,F,s,/,k,=279/15.94=17.5mm,。,（,8,）校核弹簧特性，则,F,min,/,F,s,=100/279=0.36,F,max,/,F,s,=180/279=0.65,满足工作变形量在,20,80,之间的要求。,（,9,）验算稳定性。,对于两端固定的压缩弹簧，由于,b,=,H,0,/,D,=52/12=4.3,10,6,作用次数,，故弹簧满足疲劳强度的要求,（,11,）绘制弹簧工作图，如图,16-8,所示。,图,16-8,圆柱螺旋压缩弹簧,零件图,16.4,其他类型弹簧简介,1,扭转弹簧,扭转弹簧常用于压紧、储能或传递扭矩，也属于,螺旋弹簧,。它的两端带有杆臂或挂钩，以便固定或加载。图,16-9(a),为外臂扭转弹簧。,图,16-9,圆柱螺旋扭转弹簧和特性曲线,扭转弹簧承载时的变形以其角位移来测定弹簧受扭矩,T,作用后因扭转变形而产生的扭转角,，单位为度。,扭转弹簧的工作应力要在其材料的弹性极限范围内才能正常工作，故载荷,T,与扭转角,之间仍为直线关系，其特性曲线如图,16-9(b),所示。,2,平面涡卷弹簧,平面涡卷弹簧（简称涡簧）是阿基米德涡线形的结构，如图,16-10(a),所示，它的外端固定在活动构件或壳体上，内端固定在心轴上。,涡簧的制作是将钢带卷到特制的心轴上，使之一圈一圈地叠起来，然后进行强压处理，以便使钢带中产生的应力保持稳定。涡簧主要用做仪表机构的发条及武器的发射弹簧，用其积蓄的能量带动活动构件运动。,涡簧所受的外载荷是扭矩，弹簧丝的每一个截面都承受着相同的弯矩，其受力状态和工作条件与扭转螺旋弹簧的基本上相同。因此，可以利用扭转螺旋弹簧的设计计算方法来计算涡簧。,涡簧的特性曲线如图,16-10(b),所示，,它在工作行程中所受的扭矩与其扭转角大体上是成正比的，但特性曲线的两头不是直线而是曲线。这是由于涡簧结构上的原因而造成的。,3,板弹簧,板簧一般是由,6,15,片长度不等的弹簧钢板重叠而成。如图,16-11(a),所示。,它是把钢板制成等宽的板条，两端加以适当的修整，然后重叠起来，并加装弹簧夹等而组成。重叠前把每片钢板制成不同的曲率，装配后，使其产生初应力，以提高板簧的强度。,板簧受力后，产生弯曲变形，即产生一定的挠度，而力和变形成正比，所以它的特性曲线也是,条直线如图,16-11(b),所示。,4,碟形弹簧,碟形弹簧呈无底碟状，是用薄钢板冲压而成的,。,实用中一般是将很多碟形弹簧组合起来，如图,16-12(a),所示，并装在导杆上或套筒中工作。,碟形弹簧只能承受轴向载荷，是一种刚度很大的压缩弹簧。当受到轴向压力,F,时，碟形弹簧片的角,a,将减小，使弹簧产生轴向变形。由于对于不同的角,a,，,弹簧的刚度不同，因此载荷与变形不再是线性关系。又因工作过程中有能量消耗，所以加载过程和卸载过程的特性曲线,OA,和,ABO,并不重合，如图,16-12(b),所示。,两段曲线所围成的面积（阴影部分）代表弹簧的内摩擦功。阴影面积与近似三角形,OAC,的面积的比值，表征弹簧的缓冲能力。,碟形弹簧常用在空间尺寸小，外载荷很大的缓冲减振装置中。,Thank 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