機械設計教程第3版機械工業出版社第十五章彈簧設計第一節概述

第二節彈簧的材料、選材與制造第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算第五節圓柱螺旋拉伸彈簧的設計計算第六節受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算第七節其他類型彈簧簡介

第一節概述

一、彈簧的功用彈簧是一種彈性元件,在載荷作用下能產生較大的彈性變形。彈簧在各類機器中的應用十分廣泛,其主要功用是:1)吸收振動和緩和沖擊。用彈簧吸收沖擊和振動時的能量,如各種車輛中的減振彈簧及各種緩沖器的彈簧等。2)控制機械的運動。用彈簧力來控制運動,如離合器中的控制彈簧(圖15-1a)、內燃機中控制氣缸閥門啟閉的彈簧等。3)儲存能量。用彈簧的變形能來儲存能量,如機械式鐘表彈簧(圖15-1b)、槍栓彈簧等。4)測量力的大小。用彈簧的載荷-變形性能測量載荷,如彈簧秤和測力器中的彈簧等。第一節概述

一、彈簧的功用圖15-1彈簧應用示例a)離心離合器b)鐘表發條第一節概述

二、彈簧的類型彈簧的類型很多,根據受載的性質,彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧四種。根據彈簧的形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環形彈簧、渦卷彈簧和板彈簧。此外,除金屬彈簧之外,還有空氣彈簧和橡膠彈簧等。表15-1列出了各種常用彈簧的基本形式。螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞制成的,由于制造簡便,價格較低,易于檢測和安裝,所以應用最廣。它既可以制成圓柱形和圓錐形,又可以制成受壓縮載荷作用的壓縮彈簧、受拉伸載荷作用的拉伸彈簧,還可以制成承受轉矩作用或完成扭轉運動的扭轉彈簧,見表15-1。碟形彈簧和環形彈簧剛性較大,可以承受很大的沖擊載荷,具有良好的吸振能力,常用于各種緩沖裝置中。在載荷相當大和彈簧軸向尺寸受限制的地方,可以采用碟形彈簧。環形彈簧是目前減振緩沖能力最強的彈簧,常用于近代重型機車、鍛壓設備和飛機起落裝置中。平面渦卷彈簧軸向尺寸小,能在較大的變形范圍內保持作用力不變,常用于儀器和鐘表的儲能裝置中。板彈簧能承受較大的彎曲作用,常用于受載方向尺寸有限而變形量又較大的場合。由于板彈簧有較好的消振能力,所以在汽車、拖拉機和鐵路車輛的懸掛裝置中均普遍使用這種彈簧。螺旋扭轉彈簧是扭轉彈簧中最常用的一種。由于圓柱形螺旋彈簧應用較廣,尤以螺旋壓縮彈簧的受力分析和設計計算都比較典型,所以本章主要討論圓柱形螺旋壓縮彈簧。關于其他類型彈簧,讀者可參考文獻[19]。第二節彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料彈簧在工作時,常常承受交變載荷和沖擊載荷,又要求有較大變形,所以為了保證彈簧能夠可靠地工作,其材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外,還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌度、塑性和良好的熱處理工藝性等。表15-2列出了幾種主要彈簧材料及其使用性能。實踐中應用最廣泛的就是彈簧鋼,其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。表15-3給出了彈簧鋼絲的抗拉強度。第二節彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節彈簧的材料、選材與制造二、材料的選擇選擇彈簧材料時,要充分考慮到彈簧的用途、重要程度與所受的載荷性質、大小、循環特性、工作溫度、周圍介質等使用條件,以及加工、熱處理和經濟性等因素,以便使選擇結果與實際要求相吻合。碳素彈簧鋼強度高,性能好,價格低,常用在靜載或重要性低的變載條件下。合金鋼彈簧多用在承受變載荷、沖擊載荷或要求耐高溫、耐腐蝕的場合。當受力較小而又要求防腐蝕、防磁等時,可以采用有色金屬彈簧。此外,還可用非金屬材料制作彈簧,如橡膠、塑料、軟木及空氣等。第二節彈簧的材料、選材與制造三、彈簧的制造螺旋彈簧的制造工藝過程如下:①繞制。②鉤環制造。③端部的制作與精加工。④熱處理。⑤工藝試驗等。重要的彈簧還要進行強壓處理。彈簧通常用卷制成形方法制造,其繞制方法分冷卷法與熱卷法兩種。當彈簧絲直徑d≤8mm時用冷卷法繞制,冷態下卷繞的彈簧常用冷拉并經預先熱處理的優質碳素彈簧鋼絲,卷繞后一般不再進行淬火處理,只需低溫回火以消除卷繞時的內應力。當彈簧絲直徑較大(d>8mm)時則要用熱卷法繞制。在熱態下卷制的彈簧,卷好后要進行淬火和回火處理。彈簧的疲勞強度與抗沖擊強度在很大程度上取決于彈簧的表面狀況,所以彈簧絲表面必須光潔,沒有裂縫和傷痕等缺陷。表面脫碳會嚴重影響材料的疲勞強度和抗沖擊性能,因此,脫碳層深度和其他表面缺陷都須在驗收彈簧的技術條件中詳細規定。對于重要的彈簧,還要進行工藝檢驗和沖擊疲勞等試驗。第二節彈簧的材料、選材與制造三、彈簧的制造為了提高彈簧的承載能力,可將彈簧在超過工作極限載荷下進行強壓處理(受載6~48h),以便在簧絲內產生塑性變形和有益的殘余應力,由于殘余應力的符號與工作應力相反,因而彈簧在工作時的最大應力(圖15-2)比未經強壓處理的彈簧小。一般經過一次強壓處理的彈簧其承載能力可提高約25%;若經噴丸處理可提高20%。但須注意,強壓處理是彈簧制造的最后一道工序。為了保持有益的殘余應力,強壓處理后不應做其他熱處理,否則會使強壓處理失去意義。在高溫、長期振動或有腐蝕性介質中工作的彈簧,也不宜采用這種強化工藝。圖15-2強壓處理彈簧絲的應力分布示意圖a)殘余應力分布b)工作應力分布第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度一、彈簧的參數及幾何尺寸如圖15-3所示,圓柱彈簧的主要尺寸有:彈簧絲直徑d、彈簧外徑D2、彈簧內徑D1,彈簧圈中徑D,節距t、螺旋升角α、自由高度H0和有效圈數n等。圖15-3圓柱彈簧的幾何參數第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度一、彈簧的參數及幾何尺寸彈簧設計中,旋繞比(或稱彈簧指數)C是最重要的性能參數之一,它等于彈簧中徑D與彈簧絲直徑之比,即C=D/d,亦稱彈簧指數。彈簧指數越小,其剛度越大,彈簧越硬,彈簧內外側的應力相差越大,材料利用率低;反之彈簧越軟。設計時,常使彈簧指數C值在4~10之間,可參考表15-4選取。第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度一、彈簧的參數及幾何尺寸

第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度一、彈簧的參數及幾何尺寸第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度二、彈簧特性曲線表征彈簧載荷F、T與其變形λ之間關系的曲線,稱為彈簧特性線。受壓或受拉的彈簧,載荷指壓力或拉力,變形是指彈簧壓縮量或伸長量;受扭轉的彈簧,載荷是指轉矩,變形是指扭轉角。按照結構形式不同,常見的彈簧特性曲線如圖15-4所示。其中,圖15-4a所示為直線型;圖15-4b所示為剛度漸增型;圖15-4c所示為剛度漸減型;圖15-4d所示為混合型。彈簧的特性曲線應繪制在彈簧零件圖上,作為檢驗與試驗的依據之一。同時還可在設計彈簧時,利用特性曲線進行載荷與變形關系的分析。圖15-4彈簧特性曲線第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度三、彈簧剛度

第三節彈簧的參數、特性曲線與剛度三、彈簧剛度實際上彈簧剛度就是彈簧特性曲線上某點的斜率。符合圖15-4a所示的直線型彈簧,其剛度為一常數。這種彈簧的特性曲線越陡,彈簧剛度相應越大,即彈簧越硬;反之則越軟。圖15-4b所示的彈簧特性曲線為剛度漸增型,即彈簧隨變形量的增大其剛度越大。例如車輛緩沖減振彈簧,希望在車輛重載與輕載時,均具有差不多的自振頻率;且在載荷最大或受沖擊載荷作用時,仍具有較好的緩沖減振性能,故多使用具有該型特性曲線的彈簧。圖15-4c所示彈簧特性曲線為剛度漸減型,即彈簧剛度隨變形的增大而減小。為了在沖擊動能一定時,獲得較小的沖擊力,應使用具有剛度漸減型特性曲線的彈簧為宜。彈簧可以按剛度分為定剛度彈簧(直線型特性線)和變剛度彈簧(曲線或折線型特性線),受動載荷或沖擊載荷作用的彈簧往往設計成變剛度彈簧。第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算彈簧設計的任務包括選擇材料、確定彈簧絲直徑、彈簧圈數、變形量、結構尺寸和必要的工作性能計算等。一、彈簧的受力當壓縮彈簧受到軸向載荷F作用時,如圖15-5所示,在彈簧絲任何橫斷面上將作用有:轉矩T=FRcosα,彎矩M=FRsinα,切向力Q=Fcosα和法向力N=Fsinα(式中R為彈簧的平均半徑)。由于彈簧的螺旋升角α一般均較小(對于壓縮彈簧α<10°),故彎矩M和法向力N可以忽略不計。因此,在彈簧絲橫斷面上起主要作用的外力是轉矩T和切向力Q。α值較小時,cosα≈1,可取T=FR和Q=F。這種簡化對于計算的準確性沒有多大影響。當拉伸彈簧受軸向拉力F時,彈簧絲橫斷面上的受力情況和壓縮彈簧相同,只是轉矩T和切向力Q的方向與壓縮彈簧的相反。第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算一、彈簧的受力圖15-5壓縮彈簧的受力分析a)受力分析b)B—B截面c)應力分析第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算二、彈簧絲直徑的計算

第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算三、彈簧圈數及剛度的計算

第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算四、穩定性計算

第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算四、穩定性計算圖15-6彈簧失穩現象及防止措施a)失穩b)加裝導桿c)加裝導套第四節圓柱螺旋壓縮彈簧的設計計算四、穩定性計算圖15-7不穩定系數1—兩端固定2—一端固定3—兩端自由旋轉第五節圓柱螺旋拉伸彈簧的設計計算一、無初拉力的拉伸彈簧設計無初拉力的拉伸彈簧除了不需進行穩定性計算外,其他如簧絲直徑計算等均與壓縮彈簧相同,但考慮到鉤環彎曲對應力的影響,往往將許用應力降低20%。二、有初拉力的拉伸彈簧計算

第六節受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算對于循環次數較多、工作在變應力下的重要彈簧,應進行疲勞強度驗算。當應力循環次數不多或應力變化幅度較小時,應進行靜強度驗算。當上述兩種情況不能明確區分時,則應同時進行這兩種強度的驗算。第六節受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算一、疲勞強度驗算

第六節受變載荷螺旋彈簧的疲勞強度驗算二、靜強度驗算

第七節其他類型彈簧簡介一、圓柱螺旋扭轉彈簧圓柱螺旋扭轉彈簧(表15-1)承受扭轉載荷,具有線性特性曲線。圓柱形扭轉彈簧常做成螺旋形,在自由狀態下,彈簧圈之間不并緊,各圈間留有少量間隙,否則工作時各圈間將相互摩擦并產生磨損。圓柱螺旋扭轉彈簧的設計基本上與圓柱壓縮(拉伸)螺旋彈簧相似。圓柱螺旋扭轉彈簧主要用于壓緊和蓄力以及傳動系統中的彈性環節等,使用較為廣泛,如門窗鉸鏈彈簧和汽車起動裝置彈簧等。第七節其他類型彈簧簡介二、環形彈簧環形彈簧是由帶有內錐面的外圓環和帶有外錐面的內圓環配合而成的(表15-1),內、外圓環的對數根據載荷的大小及變形量的要求決定。當彈簧受軸向載荷時,內、外圓環的接觸面間將產生很大的法向壓力,使內圓環直徑減小,外圓環直徑增大。由于內、外圓環直徑改變,使彈簧產生了軸向位移。當載荷取消后,彈簧又在彈性內力的作用下恢復原來的尺寸。環形彈簧是一種強力彈簧,承載能力大,具有較強的遲滯作用,緩沖吸振能力強,因此常用于車輛的緩沖裝置、火炮和飛機起落架等的緩沖裝置中。第七節其他類型彈簧簡介三、碟形彈簧碟形彈簧具有截圓錐外形(表15-1),是用薄鋼板沖壓而成的。實用中一般是將多個碟形彈簧組合起來,并裝在導桿或套筒中工作,而且碟形片采用不同的組合可以得到不同的特性曲線。碟形彈簧加載與卸載的特性曲線不重合,在工作過程中有能量消耗,因此