弹簧类型与应用.doc

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弹簧类型与功用 

    弹簧是一种在载荷作用下能产生较大的弹性变形的零件。
    一、弹簧的类型
    按照所承受的载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。
    按照弹簧的形状不同，弹簧又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和盘簧等。螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。
弹簧的基本类型
按形状分\按载荷分
拉伸
压缩
扭转
弯曲
螺旋形

圆柱螺旋拉伸弹簧

圆柱螺旋压缩弹簧

圆锥螺旋压缩弹簧

圆柱螺旋扭转弹簧

其他形

环形弹簧

碟形弹簧

涡卷形盘簧

板弹簧

    二、弹簧的功用
    1）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。
    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。
    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。
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设计示例 

例题
    设计一普通圆柱螺旋拉伸弹簧。已知该弹簧在一般载荷条件下工作，并要求中径D2≈18mm，外径D≤22mm。当弹簧拉伸变形量λ1=7.5mm时，拉力P1=180N，拉伸变形量λ2=17mm时，拉力P2=340N。
[解]1．根据工作条件选择材料并确定其许用应力
    因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第III类弹簧考虑。现选用III碳素弹簧钢丝。并根据 D-D2≤22-18 mm=4 mm，估取弹簧钢丝直径d为3.0mm。由表2查得σB=1275MPa，则根据表1可知[τ]＝0.5σB＝0.5×1275 MPa＝637.5 MPa。
    2．根据强度条件计算弹簧钢丝直径
    按表3选取旋绕比C=6，则得

    于是有

　改取d＝3.2mm。查得σB=1177MPa，[τ]＝0.5σB＝588.5MPa,取D2=18,C=18/3.2=5.625,计算得 K=1.253，于是

    上值与原估取值相近,取弹簧钢丝标准直径d＝3.2mm(与计算值3.22mm仅差0.6％,可用)。此时D2＝18mm,为标准值（见表4）,则
D=D2+d=18+3.2 mm ＝21.2 mm<22 mm
　 所得尺寸与题中的限制条件相符，合适。
   3．根据刚度条件，计算弹簧圈数n
    弹簧刚度为

    由表1取G=79000MPa,弹簧圈数n为

    取n＝11圈； 此时弹簧刚度为
kP=10.56×16.8/11 N/mm =16.12 N/mm
    4．验算弹簧初应力
P0=P1-kPλ1=180-16.12×7.5 N=59.1 N
    得初应力τ0′：

    当C＝5.625时，由图1查得初应力τ0′的推茬值为65～150MPa，故此初应力值合适。
  　5、验算极限工作载荷
    取极限工作应力τlim=1.12[τ]，则τlim=1.12×588.5 MPa=659.1 MPa

    Plim＞P2，故安全。
    6.进行结构设计
    选定两端钩环，并计算出全部尺寸(从略)。
    6．绘制工作图
    (从略)
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弹簧

    弹簧所需要的簧丝直径和工作圈数，与弹簧的应力和变形条件直接相关。
    一、弹簧丝的应力计算
    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。现就圆柱螺旋压缩弹簧进行分析。

    设压缩弹簧承受轴向载荷F（见图a）。弹簧丝由于具有升角α，故其通过弹簧轴线的截面A-A为椭圆形，上面作用着力F及扭矩（见图b）。因而在弹簧丝的法向截面B-B上作用有横向力Fcosα、轴向力Fsinα、弯矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα（见图a）。 由于弹簧的螺旋升角一般取为α=5°～9°，故sinα≈0；cosα≈1。则弹簧丝B-B圆形截面上的受力可简化为只受横向力Fcosα=F和扭矩Tˊ= Tcosα=T。由横向力和扭矩在弹簧丝圆形截面内引起的剪应力为：

    式中旋绕比(弹簧指数）C值的范围为4～16，即2C>>l，于是可在上式中取1+2C≈2C，以简化应力计算（实质为略去了横向剪应力τF）：

    式中K为考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响而引进的一个补偿系数(或称曲度系数)。圆截面弹簧丝的补偿系数为：

   弹簧丝截面中的应力分布如图c所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。
    2）簧丝直径d

    二、弹簧的变形计算
    圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量λ可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:

    式中：n为弹簧的有效圈数；G为弹簧材料的切变模量，查表2
    1）最大轴向变形量
对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧，最大轴向变形量为： 　

    对于有预应力的拉伸弹簧，最大轴向变形量为：

    式中：F0为弹簧初拉力，按下式计算：

    式中τ0′为预应力，在图1的阴影区内选取。
    2）弹簧的工作圈数n

    3）弹簧刚度kF

     弹簧刚度与旋绕比C的三次方成反比，即C值对刚度的影响很大，C值愈大，刚度愈小。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小，故C值的范围为4～16, 常用值为5～8。另外，kF还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
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圆柱螺旋压（拉）簧设计计算 

    当弹簧受静载荷或受总的重复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷时，弹簧是按静强度设计的。设计内容通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。设计方法和步骤如下：
    1) 根据工作情况及具体条件选定材料
    2) 选择旋绕比C，通常取C≈5～8(极限值为4或16)，并算出补偿系数 K值
    3) 根据安装空间初设弹簧中径D2，以及根据C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力
    4) 试算弹簧丝直径d

    必须注意，簧丝的许用剪切应力[τ]是按σB计算得来的，而σB要根据簧丝直径d查取（见表1），故为了得到[τ]，要先估取d。如果算得的d值与估取的d值相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径d。如果两者相差较大，应参考计算结果重估d，再按相应的[τ]试算d ，直到算得的与估取的d很接近为止。然后按D2=Cd计算D2，并按表3圆整； 
    5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数
   对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧：

   对于有预应力的拉伸弹簧：

    6) 求出弹簧的尺寸D、D1、H0,并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应改选有关参数(例如C值)重新设计
    7) 验算稳定性。对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免失稳现象，建议压缩弹簧的长细比b=H0/D2按下列规定选取：

    当两端固定时，取b<5.3；当一端固定，另一端自由转时，取b<3.7；当两端自由转动时，取b<2.6。当b大于上述数值时，要进行稳定性验算或加装导杆或导套。导杆或导套与弹簧间的间隙c值按表5选取。
    8) 进行弹簧的结构设计。按表6计算出全部有关尺寸
    9) 绘制弹簧工作图
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