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1、第十二章第十二章 弹簧设计弹簧设计第一节第一节 概述概述1.弹簧的基本类型弹簧的基本类型圆柱螺旋圆柱螺旋拉伸弹簧拉伸弹簧圆柱螺旋圆柱螺旋压缩弹簧压缩弹簧截锥螺旋截锥螺旋压缩弹簧压缩弹簧环形弹簧环形弹簧碟形弹簧碟形弹簧圆柱螺旋圆柱螺旋扭转弹簧扭转弹簧涡卷形弹簧涡卷形弹簧 板弹簧板弹簧圆柱螺旋圆柱螺旋拉伸弹簧拉伸弹簧圆柱螺旋圆柱螺旋压缩弹簧压缩弹簧圆柱螺旋圆柱螺旋扭转弹簧扭转弹簧截锥螺旋截锥螺旋压缩弹簧压缩弹簧环形弹簧环形弹簧碟形弹簧碟形弹簧涡卷形弹簧涡卷形弹簧板弹簧板弹簧拉伸拉伸压缩压缩扭转扭转弯曲弯曲螺旋形螺旋形其他其他形状形状受载受载2.弹簧的功用弹簧的功用吸振、缓冲吸振、缓冲完成预定的运动
2、完成预定的运动储存或释放能量储存或释放能量测量力的装置测量力的装置3.弹簧的材料弹簧的材料弹簧经常受到交变和冲击载荷弹簧经常受到交变和冲击载荷(1)要求要求经久不变的弹力经久不变的弹力高的静强度和疲劳强度高的静强度和疲劳强度耐冲击耐冲击良好的塑性变形良好的塑性变形热处理性能好热处理性能好(2)常用材料常用材料碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：适于做小的或要求不高的弹簧适于做小的或要求不高的弹簧合金弹簧钢；合金弹簧钢；热处理性能好、用于受载较大的弹簧热处理性能好、用于受载较大的弹簧不锈钢：不锈钢：耐腐蚀耐腐蚀 按载荷性质按载荷性质弹簧分成三类弹簧分成三类I 类：类：II 类：类：III 类：类：承受变载、
3、冲击承受变载、冲击 作用次数作用次数承受变载、冲击承受变载、冲击 作用次数作用次数承受变载或不太重要的弹簧承受变载或不太重要的弹簧 作用次数作用次数非金属材料非金属材料(橡胶弹簧等橡胶弹簧等)第二节第二节 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计圆柱拉、压螺旋弹簧的设计1.弹簧的结构弹簧的结构(1)压缩弹簧压缩弹簧两端面圈并紧磨平两端面圈并紧磨平支承端面与轴线垂直支承端面与轴线垂直LI、LII型：型：两端面圈并紧不磨平两端面圈并紧不磨平(2)拉伸弹簧拉伸弹簧LVII型：型：YI型：型：YIII型：型：挂钩可转任意方向、用于受力较大场合挂钩可转任意方向、用于受力较大场合挂钩过渡处弯曲应力大、簧丝挂钩过渡处弯曲应
4、力大、簧丝YI型型YIII型型LI型型LII型型LVII型型2.弹簧的几何尺寸弹簧的几何尺寸簧丝直径簧丝直径外径外径内径内径中径中径节距节距螺旋升角螺旋升角压簧自由高度压簧自由高度有效圈数有效圈数总圈数总圈数拉簧长度拉簧长度弹簧指数弹簧指数衡量弹簧曲率重要参数衡量弹簧曲率重要参数(或或)弹簧软、易变形弹簧软、易变形容易绕制容易绕制产生颤动、不稳定产生颤动、不稳定通常取通常取或按表选或按表选3.弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线(1)压缩弹簧压缩弹簧弹簧所受载荷与变形的关系曲线弹簧所受载荷与变形的关系曲线自由高度自由高度未受载未受载受受高度高度变形变形受受高度高度变形变形受受高度高度变形变形产生的产生
5、的产生的应力达到材料剪切弹性极限产生的应力达到材料剪切弹性极限工作行程工作行程弹簧刚度弹簧刚度(2)拉伸弹簧拉伸弹簧自由高度自由高度未受载未受载受受高度高度变形变形受受高度高度变形变形受受高度高度变形变形工作行程工作行程弹簧刚度弹簧刚度无初应力的弹簧无初应力的弹簧有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，绕制时各圈间有一定的压紧力，簧丝中产生一定的预紧力簧丝中产生一定的预紧力 F0，当工作载荷大于当工作载荷大于 F0 时，弹簧才能伸长时，弹簧才能伸长为产生假想变形量为产生假想变形量 x 的初拉力的初拉力 F0弹簧刚度弹簧刚度(3)与与非线性关系时的特性曲线非线性关系时的特性曲线上
6、部：上部：小小变形难变形难(大大)下部：下部：大大变形易变形易(小小)受载后，下部先压紧，上部再压缩受载后，下部先压紧，上部再压缩4.弹簧的设计准则弹簧的设计准则满足强度条件满足强度条件 满足刚度条件满足刚度条件满足稳定性条件满足稳定性条件满足强度条件满足强度条件 满足刚度条件满足刚度条件拉簧拉簧压簧压簧强度条件强度条件刚度条件刚度条件簧丝直径簧丝直径 d弹簧圈数弹簧圈数 n 稳定性验算稳定性验算(1)强度条件强度条件弹簧剖面的应力弹簧剖面的应力叠加后剪切应力最大值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最大扭剪应力剪切力
7、剪切力剪应力剪应力转矩转矩 在靠近弹簧在靠近弹簧轴线的一侧轴线的一侧簧丝受扭是曲杆受扭簧丝受扭是曲杆受扭内侧单位长度扭转变形大内侧单位长度扭转变形大曲度系数曲度系数强度条件式强度条件式校核式：校核式：设计式；设计式；(2)刚度条件刚度条件外载外载 F 所做功所做功 弹簧储存变形能弹簧储存变形能由材料力学知由材料力学知转矩转矩极惯性矩极惯性矩剪切弹性模量剪切弹性模量受扭长度受扭长度弹簧变形量：弹簧变形量：弹簧刚度：弹簧刚度：计算工作圈数：计算工作圈数：应圆整为应圆整为0.5的整数倍的整数倍且大于且大于2(3)稳定性条件稳定性条件(对压缩弹簧对压缩弹簧)两端固定两端固定 b5.3一端固定一端自由一
8、端固定一端自由 b3.7两端自由两端自由 b2.6未满足上述要求，则需要进行稳定性验算未满足上述要求，则需要进行稳定性验算临界载荷临界载荷不稳定系数不稳定系数高径比高径比5.弹簧的设计步骤弹簧的设计步骤(1)设计要求设计要求已知：已知：尺寸限制和工况尺寸限制和工况设计：设计：其他尺寸其他尺寸绘制工作图绘制工作图最大工作载荷最大工作载荷最小工作载荷最小工作载荷工作行程工作行程簧丝直径簧丝直径工作圈数工作圈数具体做法具体做法由强度条件确定簧丝直径由强度条件确定簧丝直径选选预选预选比较比较和和由刚度条件确定弹簧工作圈数由刚度条件确定弹簧工作圈数一般一般为为0.5的整数倍，且大于的整数倍，且大于2压缩
9、弹簧的稳定性验算压缩弹簧的稳定性验算(2)实例实例1)初选初选 C初选弹簧指数初选弹簧指数 C 7 5.2 6设计压簧，设计压簧，II类方式工作，端部并紧磨平类方式工作，端部并紧磨平初选簧丝直径初选簧丝直径 d 3.5 4.5 4 碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝 C级级 1570 1520 1520选簧丝抗拉强度选簧丝抗拉强度 许用剪切应力许用剪切应力 628 608 608曲度系数曲度系数 K1.21 1.3 1.25计算簧丝直径计算簧丝直径 4.15 3.77 3.97不符不符 取取4.5 取取4设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 1 方案方案 2 方案方案 32)计算计算 n变形量变
10、形量16.7 16.7剪切模量剪切模量 G 79000 79000 有效圈数有效圈数 n 10.55 6.1圆整圆整 11 圆整圆整 6.53)实际变形量实际变形量实际变形量实际变形量17.4 17.44实际变形量实际变形量 7.4 7.44实际最小载荷实际最小载荷212.6 218.6 设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 2 方案方案 3总圈数总圈数 n113 8.54)其他几何尺寸其他几何尺寸弹簧外径弹簧外径 D27.9 28取取取取其中其中最小节距最小节距 p6.53 7.13自由高度自由高度 H 078.58 52.35无载时螺旋无载时螺旋升角升角且且5.08 5.085)稳
11、定性验算稳定性验算计算计算 b两端固定时两端固定时 b5.3 3.36 2.18 设计内容设计内容 设计依据设计依据 方案方案 2 方案方案 3其它弹簧简介其它弹簧简介1.圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧扭矩扭矩与扭转角与扭转角为线性关系为线性关系设计方法设计方法与圆柱螺旋拉、压弹簧相似与圆柱螺旋拉、压弹簧相似强度条件强度条件变形条件变形条件簧丝直径簧丝直径 d弹簧圈数弹簧圈数 n 2.碟形弹簧碟形弹簧刚度很大的压缩弹簧刚度很大的压缩弹簧受轴向载荷受轴向载荷锥角锥角 减小减小产生轴向变形产生轴向变形U 为弹簧所吸收的变形能为弹簧所吸收的变形能卸载过程与加载过程重合卸载过程与加载过程重合吸收的能
12、量全部释放吸收的能量全部释放加载近似为直线加载近似为直线OA卸载为曲线卸载为曲线OBA阴影面积为摩擦耗能阴影面积为摩擦耗能 OAC面积为吸收的变形能面积为吸收的变形能吸振能力吸振能力3.环形弹簧环形弹簧受轴向载荷受轴向载荷内环直径减小内环直径减小外环直径增大外环直径增大弹簧压缩弹簧压缩刚度相当大的压缩弹簧刚度相当大的压缩弹簧卸载开始的卸载开始的AB段为直线，弹性内力段为直线，弹性内力需要先克服摩擦力，故不能立即恢需要先克服摩擦力，故不能立即恢复变形复变形卸载为卸载为AB段和段和BO段段达达70%，具有很大的消振能力，具有很大的消振能力4.板弹簧板弹簧(1)矩形弹簧矩形弹簧最大弯最大弯曲应力曲应力最大变形最大变形(2)梯形弹簧梯形弹簧每个剖面的弯曲每个剖面的弯曲应力相等应力相等(3)重叠板弹簧重叠板弹簧将梯形板切成等宽块将梯形板切成等宽块重叠起来重叠起来形成板弹簧形成板弹簧