第一章 弹簧受力分析

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YII型热卷: n1=n+(1.5~2)
p=(0.28~0.5)D δ=p-d
L=-πc-o-Ds-nα-1
n1=n p=d
拉伸弹簧n1尾数为1/4、 1/2、3/4、整圈,推
荐用1/2圈
L≈πDn+Lh
Lh为钩环展开长度
螺旋角α 质量ms
α=arctan(p/πD) ms=π--4d-2-Lγ
对压缩螺旋弹簧,推 荐用α=5˚ ~9˚
潘存云教授研制
冷卷:d<10 mm → 低温回火,消除应力
热卷:d≥ 10 mm,卷制温度:800~1000℃
→ 淬火、回火
▲ 对于重要压缩弹簧,为了保证承载面与轴线垂直,
端部应磨平;
▲ 拉伸弹簧,为了便于联接与加载,两端制有拉构。
经强压处理可提高承载能力。 强压处理:将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限, 并保持一定时间后卸载,使簧丝表面层产生与工作应 力相反的残余应力,受载时可抵消一部分工作应力。
在机械设备中被广泛用作弹性元件。
功用:
1. 控制机构运动或零件的位置; 2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧; 3. 存储能量; 如钟表仪器中的弹簧;
如凸轮机构、离合器、阀门等;
4. 测量力的大小 ;如弹簧秤中的弹簧
5. 改变系统的自振频率。 圆柱形
分类
螺旋 弹簧
按形状分 截锥形
拉伸弹簧 按受载分 压缩弹簧
4Cr13 450 600
耐腐蚀,耐高温,
750 –40~300 48~5潘3存H云R教C授研适制 用于做较大的
弹簧
青铜丝 QSi3-1 270 360 QSn4-3 270 360
450 –40~120 90~100HBS 耐腐蚀,防磁好 450
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作者: 潘存云教授
表16—2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限
工艺试验包括:耐冲击、疲劳等试验。
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作者: 潘存云教授
三、弹簧的材料及许用应力 1、弹簧的材料 要求:高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、
塑性和良好的热处理性能。
材料:优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。
碳素弹簧钢:含碳量在0.6~0.9%之间,如65、70、85
优点:容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强 度,适宜的韧性和塑性。
压缩弹簧厂细比b
b=H0/D2
b在1~5.3的范围选取
两端并紧,磨平;
自由高度或长度H0
H0≈pn+(1.5~2)d 两端并紧,不磨平;
H0 =nd+Hh
H0≈pn+(3~3.5)d
工作高度或长度 H1 H1 …….H1
Hn = H0 +λn
Hn = H0 + λn
有效圈数n
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有预应力的拉伸弹簧 n=-8-(-F-Gm-adx---F-0-)λmax
III 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250
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§16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算
一、几何尺寸计算
节距:t = d +δ 间距:
δ≥
λmax 0.8n
缺点:当d>12 mm,不易淬透,故仅适用于小尺寸的 弹簧。
合金弹簧钢:硅锰钢、铬钒钢。
优点:适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。
有色金属合金:硅青铜、锡青铜、铍青铜。
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选用原则: 充分考虑载荷条件(载荷的大小及性质、工作温
度和周围介质的情况)、功用及经济性等因素。一般 应优先采用碳素碳簧钢丝。
压缩弹簧或 无预应力的拉伸弹簧
n=--8-F-Gm-da-xC-3--λmax
Lh为钩环展开长度 λn ---工作变形量
n〉2
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续表16-4 圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算
单位:mm
参数名称及代号
计算公式
压缩弹簧
拉伸弹簧
备注
总圈数n1
节距 p 轴向间距δ 展开长度L
冷卷: n1=n+(2~2.5)
γ为材料的密度,对各种 钢, γ=7700kg/m3; 对铍青铜,γ=8100kg/m3
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二、 弹簧的特性曲线
F
特性曲线-- 载荷—变形曲线 1、压缩弹簧的特性曲线
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1
F2Flim
潘存云教授研制
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最小工作载荷: 弹簧在安装位置所受压 力,它能使弹簧可靠地 稳定在安装位置上。 Fmin=(0.1~0.5)Fmax
1、圆柱螺旋压缩弹簧
变形用
压缩弹簧在自由状态下,各圈之间留有一定间距δ 。
支承圈或死圈----两端有3/4~5/4圈并紧,以使弹簧站
立平直,这部分不参与变形。
磨平长度不小于3/4圈,端部厚度近似为d/4
端部磨平----重要弹簧
d/4
端部不磨平---- 一般用途
压缩弹簧的总圈数: n1 = n+(1.5~2.5)
组别
0.2 0.3 0.5 0.8
钢丝直径 d/ mm
1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0
I 2700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800 1700 1650 1600 1500 1500 1450 --II、IIa 2250 2250 2200 2150 2050 1950潘1存8云5教0授1研8制00 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 1250
扭转弹簧
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作者: 潘存云教授
分类
按形状分 螺旋弹簧 环形弹簧 按受载分 碟形弹簧 平面涡圈弹簧 仪表中储能用 板弹簧
圆柱形 截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧
扭转弹簧
本章内容
潘存云教授研制
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作者: 潘存云教授
§16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力
一、圆柱螺旋弹簧的结构形式
极限变形--- λlim 一般取: Fmax ≤ 0.8Flim 弹簧刚度:k Fmin Fmax 常数
min min
弹簧势能 E
Hlim
H2 H1 H0
自由高度
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2、拉伸弹簧的特性曲线 a)没有预应力
F
FmaxFlim
特性曲线通 Fmin
过坐标原点
最小变形--- λmin
最大工作载荷--- Fmax
在Fmax的作用下,τmax<[τ ]
F
FmaxFlim压缩弹簧的
特性曲线
FminarctEgk λ
λmin λ0
λmax
λlim
对应的变形---λmax 极限载荷--- Flim
<0.8nδ 保证不并紧
Fmin
F F maxlim 潘存云教授研制
λ
λmin
λmax λlim
FFmmliaminx
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Fmin FmFaxlim
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2、拉伸弹簧的特性曲线
b)有预应力
若工作载荷小于克服预应 力所需的初拉力F0,则弹簧 不会变形;只有当F>F0时弹 簧才开始变形。
F
FmaxFlim特性曲线不通
Fmin
过坐标原点。
F0
λ
λmin
λmax
λlim
FFmm0liaminx
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F0Fmin FmFaxlim
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三、弹簧受载时的应力与变形 1、簧丝受力分析
F D2/2
弹簧受轴向载荷F时,作用 在轴向截面A-A上的力有:
轴向力: F 扭矩: T=F·D2/2 在法面B-B上的力有:
其值可直接查表下表可得
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3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
曲度系数
C=D2
第16章 弹 簧
§16-1 弹簧概述 §16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、
材料及许用应力 §16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 §16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 §16-5 其它弹簧简介
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§16-1 弹簧的功用和类型
工作特点:弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形,
4F
d 2
合成应力:
T
F

8FD2
d 3

4F
d 2

8FD2
d 3
1
d 2D2


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C D2 d


8FC
d 2
1
0.5 C
作者: 潘存云教授
C----旋绕比,或弹簧指数。
表16-6 常用旋绕比C
D(min) 0.2~0.4 0.45~1 1.1~2.2 2.5~6 7~16 18~42
横向力: F” =Fcosα
轴向力: F’ =Fsinα
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B
A
F F”
T’=Tcosα
M=Tsinα αT
α
B
A
A-A
B-B
扭矩: T’=Tcosα
弯矩: M=Tsinα ∵ α =5˚ ~9˚ ∴ sinα≈ 0, cos α≈ 1 故截面B-B上的载荷可近似取为:
T d T’
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2、弹簧的许用应力
弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、 弹簧的工作条件和重要程度,以及簧丝的尺寸等
弹簧按载荷分为三类:
I类弹簧: 受变载荷作用次数>106,或很重要的弹簧。
II类弹簧:受变载荷作用次数在103 ~ 105 ,或受冲击 载荷的弹 簧,或受静载荷的重要弹簧。
III类弹簧:受变载荷作用次数在<103 ,或受静载荷 的弹簧。
t
λmax --最大变形量。F2为最大载荷
H0
螺旋升角: α=arctg
t
πD2
通常 t≈(0.3~0.5)D2 , α=5˚~9˚
弹簧丝的展开长度: L=πcoDs2αn1
F2 λmax
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δ
α
D2
自由高度:
两端并紧不磨平结构:
H0=nδ+(n1+1)d
Hs Hs
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对于两端并紧磨平结构
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表16—1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力
材料
许用切应力 / MPa
名称
牌号
Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧
Ⅲ类弹簧
推荐使用 温度℃
推荐硬度 范围
特性及用途
[τI]
[τII]
[τIII]
碳素弹簧
强度高,性能好,
钢丝Ⅰ, 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ
但尺寸大了不易淬 透,只适用于小弹 簧。
60Si1Mn 480 640
弹性和回火稳定性
800 –40~200 45~50HRC 好,易脱碳,用于
制造受重载的弹簧。
合金弹 50CrVA 450 600 簧钢丝
有高的疲劳极限,
750
–40~210
45~50HRC
弹性、淬透性和回 火稳定性好,常用
于承受变载的弹簧
n为有效圈数
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δ
为使工作平稳,n1的尾数 取1/2
磨平
不磨平
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2、 拉伸弹簧 a) 各圈相互并紧δ=0; b) 制作完成后具有初拉力; c) 端部做有拉钩,以便安装和加载。
拉钩形式:半圆钩环型、圆钩环型、 改进后的结构 转钩、可调转钩。
潘存云教授研制
潘存云教授研制
C=D2/d 7~14 5~12 5~10 4~9 4~8 4~6


8FC
d 2
1
0.5 C

88FFCC
dd22
由于0.5/C远小于1,故由F
引起的剪切应力可忽略。
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KτT
τF τF τ∑mFra bibliotek若考虑螺旋升角和簧丝曲率 对应力集中的影响,实际应力 分布与理论分析有差别。
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特点:结构简单、制造容易、但弯曲应力 大。应用于中小载荷与不重要的场合。
特点:弯曲应力小。适用于变载荷 的场,但成本较高。
拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。
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二、弹簧的制造
制造过程:卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作(拉簧 或扭簧)、热处理和工艺性试验。
实践证明:弹簧内侧m点最容 易产生破坏。
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未考虑簧丝 曲率的应力
m
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引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响,得:
强度条件:

K
8FC
d 2
[ ]
设计公式: d 1.6
其中: K 4C 1 0.615 4C 4 C
KFC
[ ]
K
----弹簧的曲度系数
H0=nδ+(n1-0.5)d
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并紧高度: Hs =
(n1+1)d (n1-0.5作)者d: 潘存云教授
表16-4 圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算
参数名称及代号
中径D 内径D1 外径D2 旋绕比C
压缩弹簧
计算公式
D=Cd D1=D-d D2=D+d C=D/d
拉伸弹簧
单位:mm 备注 取标准值
F
F
横向力:F 扭矩: T’=F·D2/2
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作者: 潘存云教授
2、弹簧的应力
剪切力:F
截面受力:
扭矩:T

FD2 2
扭切应力: T
T WT

F D2 2
d 3 16

8FD2
d 3
潘存T云T教授研制τTτττFF Fτ弹簧轴线∑弹簧轴线 FFF DD2 /22/2
剪切应力: F
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