1、第十三章第十三章 彈性元件彈性元件參考文獻參考文獻l張策主編，張策主編，機械原理與機械設計機械原理與機械設計（下（下冊），機械工業出版社，冊），機械工業出版社，20042004l濮良貴主編，濮良貴主編，機械設計機械設計，高等教育出，高等教育出版社，版社，20062006l其他機械設計的相關書籍其他機械設計的相關書籍第一節 概述l主要功用主要功用測力測力產生振動產生振動儲存能量儲存能量緩沖和吸振緩沖和吸振控制機械運動控制機械運動改變機械的自振批率改變機械的自振批率消除空回和配合間隙消除空回和配合間隙彈性彈性元件彈性彈性元件l常見類型（按結構特點分類）常見類型（按結構特點分類） a.a.片簧片簧

2、b.b.平面渦卷簧平面渦卷簧 c.c.螺旋彈簧螺旋彈簧 d.d.壓力彈簧管壓力彈簧管 e.e.波紋管波紋管 f.f.膜片膜片第一節 概述l分類（根據用途）分類（根據用途） 測量彈簧測量彈簧 力彈簧力彈簧 l分類（根據所承受的載荷）分類（根據所承受的載荷） 拉伸彈簧拉伸彈簧 壓縮彈簧壓縮彈簧 扭轉彈簧扭轉彈簧 彎曲彈彎曲彈簧簧l分類（根據使用的彈性材料）分類（根據使用的彈性材料） 金屬彈簧（圓柱螺旋彈簧）金屬彈簧（圓柱螺旋彈簧） 非金屬彈簧（橡膠彈簧、空氣彈簧）非金屬彈簧（橡膠彈簧、空氣彈簧）第一節 概述l彈性元件的特點彈性元件的特點 結構簡單、價格低廉、占據空間小、結構簡單、價格低廉、占據空間

3、小、安裝和固定簡單、工作可靠。安裝和固定簡單、工作可靠。第一節 概述l彈簧材料要求彈簧材料要求 較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌較高的彈性極限和疲勞極限；足夠的韌性和良好的熱處理性能。性和良好的熱處理性能。l常用彈簧材料常用彈簧材料 金屬金屬 非金屬非金屬 材料材料 材料材料 碳素彈簧鋼碳素彈簧鋼合金彈簧鋼合金彈簧鋼有色金屬合金有色金屬合金橡膠橡膠塑料塑料石英石英陶瓷陶瓷空氣空氣第一節 概述l螺旋彈簧的制造螺旋彈簧的制造 卷制：冷卷、熱卷卷制：冷卷、熱卷 兩端面加工（壓縮彈簧）兩端面加工（壓縮彈簧） 鉤環制作（拉伸彈簧）鉤環制作（拉伸彈簧） 熱處理熱處理 工藝性試驗工藝性試驗第一節 概述l彈

4、性元件的許用應力：彈性元件的許用應力： 類、類、類、類、類彈簧類彈簧碳素彈簧鋼碳素彈簧鋼（65、70鋼）鋼）第一節 概述l彈性元件的基本特性彈性元件的基本特性 f (F ) ( p, t ) 特性曲線：直線型、曲線型特性曲線：直線型、曲線型 剛度剛度 線性系統線性系統 并聯系統并聯系統 串連系統串連系統 0lim(/)/FFdF d1niiFF111niiFF/FFconst第二節 彈性元件的基本特性l影響彈性元件特性的因素影響彈性元件特性的因素 由特性解析式得（舉例：圓柱螺旋彈簧）由特性解析式得（舉例：圓柱螺旋彈簧）幾何尺寸參數的影響調整方法予以消除幾何尺寸參數的影響調整方法予以消除溫度的影

5、響切變模量、彈性模量的溫度特性溫度的影響切變模量、彈性模量的溫度特性彈性滯后和彈性后效的影響較大安全系數、彈性滯后和彈性后效的影響較大安全系數、合理的結構和元件的聯接方法合理的結構和元件的聯接方法( (降低應力集中降低應力集中) )、特殊合金等特殊合金等32248(, , ,)D nFf D d n GGd第二節 彈性元件的基本特性第二節 彈性元件的基本特性第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計l功能功能 沿軸線方向的力或垂直于軸線平面內的力沿軸線方向的力或垂直于軸線平面內的力矩矩 彈簧兩端的相對位移。彈簧兩端的相對位移。l圓柱形螺旋彈簧的型式（圓柱形螺旋彈簧的型式（依載荷作用方式）依載荷作用方式）

6、 - -拉伸彈簧拉伸彈簧L L型型 - -壓縮彈簧壓縮彈簧Y Y型型 - -扭轉彈簧扭轉彈簧N N型型l圓柱螺旋彈簧的設計任務圓柱螺旋彈簧的設計任務 已知已知：彈簧的最大工作載荷、最大工作變：彈簧的最大工作載荷、最大工作變形以及結構和工作條件（如安裝空間、載形以及結構和工作條件（如安裝空間、載荷性質）荷性質） 求求：彈簧的幾何尺寸和結構參數；設計中：彈簧的幾何尺寸和結構參數；設計中既要保證有足夠的強度，又要符合載荷變既要保證有足夠的強度，又要符合載荷變形特性曲線的要求，不失穩，工作可靠；形特性曲線的要求，不失穩，工作可靠；優先選用標準彈簧。優先選用標準彈簧。第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計l圓

7、柱螺旋壓縮彈簧圓柱螺旋壓縮彈簧特性線特性線強度計算強度計算剛度計算剛度計算穩定性計算穩定性計算結構尺寸計算結構尺寸計算第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計l圓柱螺旋拉伸彈簧圓柱螺旋拉伸彈簧種類種類無初拉力無初拉力有初拉力有初拉力F F0 0彈簧圈數彈簧圈數拉伸彈簧的端部結構拉伸彈簧的端部結構3028dFD43028()G dnFF D第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計l圓柱螺旋扭轉彈簧圓柱螺旋扭轉彈簧受轉矩受轉矩T T作用后的扭作用后的扭轉變形轉變形彈簧圈數彈簧圈數2180obEInM D22()180( )bbobM lMD nradEIEIM DEIn第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計例：例：設計

8、一個有初應力圓柱螺旋拉伸彈簧。數設計一個有初應力圓柱螺旋拉伸彈簧。數據如下：當彈簧變形量為據如下：當彈簧變形量為6.5mm6.5mm時，拉力時，拉力F F1 1180N180N；變形量為；變形量為17mm17mm時，拉力時，拉力F Fmaxmax340N340N；并限制其最大外徑在并限制其最大外徑在16mm16mm以下，自由高度在以下，自由高度在100mm100mm以下。一般用途且并不經常工作。以下。一般用途且并不經常工作。計算簡圖第三節 螺旋彈簧的基本參數和設計第四節 游絲l種類：種類：測量游絲、測量游絲、 接觸游絲接觸游絲l要求要求 7 7條：彈性特性合適、滯后和后效小、溫條：彈性特性合適

9、、滯后和后效小、溫度敏感性低、防磁和抗蝕性好、重心位置度敏感性低、防磁和抗蝕性好、重心位置準、圈間距離相等、電阻系數小準、圈間距離相等、電阻系數小 測量游絲要求較高測量游絲要求較高l材料：材料： 錫青銅（錫青銅（QSn4-3QSn4-3）、鈹青銅（）、鈹青銅（Qbe2Qbe2）、）、恒彈性合金（恒彈性合金（Ni42CrTiNi42CrTi）、不銹鋼、黃銅、）、不銹鋼、黃銅、銅鋅鑷合金銅鋅鑷合金l游絲的結構游絲的結構游絲端部的固定方法游絲端部的固定方法l游絲的特性游絲的特性 312aEIEbhMLL第四節 游絲l游絲的設計游絲的設計 標準游絲國家標準（標準游絲國家標準（GB12159-90GB1

10、2159-90） 非標準游絲設計與計算非標準游絲設計與計算 已知：已知：原始數據通常為最大（小）游絲原始數據通常為最大（小）游絲力矩力矩M M2 2（M M1 1）和最大（小）游絲轉角）和最大（小）游絲轉角 2 2（ 1 1），以及游絲的用途和安裝空間。），以及游絲的用途和安裝空間。 求：求：游絲的寬度游絲的寬度b b、厚度、厚度h h、長度、長度L L（圈數（圈數n n）及其它結構參數。）及其它結構參數。第四節 游絲第五節 片簧l片簧的分類片簧的分類按其外形：直片簧按其外形：直片簧a a、彎片簧、彎片簧b b、c cl直片簧的結構直片簧的結構第五節 片簧雙螺釘固定雙螺釘固定防轉防轉結構防轉結

11、構防轉l直片簧的種類直片簧的種類按截面形狀：等截面、變截面按截面形狀：等截面、變截面按安裝情況：有初應力片簧按安裝情況：有初應力片簧a a 無初應力片簧無初應力片簧b b第五節 片簧第六節 熱雙金屬彈簧l組成：組成：主動層、從動層主動層、從動層l應用：應用：溫度測量元件、溫度控制元件、溫度測量元件、溫度控制元件、溫度補償元件溫度補償元件 材料：材料：主動層黃銅、錳主動層黃銅、錳鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金鑷合金、鐵鑷鉻、鎳鉬合金 被動層鐵鎳合金被動層鐵鎳合金帶雙金屬片的閉合觸點裝置帶雙金屬片的閉合觸點裝置第七節 其它彈性元件簡介l彈簧管彈簧管壓力彈簧管壓力彈簧管彈簧管截面形狀彈簧管截面形狀壓力壓力

12、p位移位移sl波紋管波紋管第七節 其它彈性元件簡介波紋管的應用波紋管的應用第七節 其它彈性元件簡介密封元件密封元件導管撓性聯接元件導管撓性聯接元件介質分隔元件介質分隔元件l膜片、膜盒膜片、膜盒a)a)平膜片平膜片 b)b)波紋膜片波紋膜片膜盒膜盒第七節 其它彈性元件簡介電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器膜片膜片End彈性滯后現象彈性后效現象圓柱螺旋壓縮彈簧特性線作用載荷與變形特性線作用載荷與變形的關系的關系等節距圓柱螺旋彈簧的特等節距圓柱螺旋彈簧的特性線是一條直線。性線是一條直線。最小載荷最小載荷 F F1 1(0.1(0.10.5)F0.5)Fmaxmax最大載荷最大載荷F Fmaxmax由工

13、作條件由工作條件決定，一般決定，一般F Fmaxmax 0.8F0.8F3 3。圓柱螺旋壓縮彈簧強度計算強度計算 旋繞比旋繞比C C 彈簧絲直徑試算彈簧絲直徑試算22cos/2csin/sios2nbNQTFDFMFFFDFmax11.6/TdFK C圓柱螺旋壓縮彈簧剛度計算剛度計算彈簧的有效圈數彈簧的有效圈數彈簧剛度彈簧剛度 38GdnFC433288GdGdFD nC n圓柱螺旋壓縮彈簧穩定性計算穩定性計算彈簧的失穩彈簧的失穩 b bH H0 0/D/D2 2穩定性與彈簧兩端的穩定性與彈簧兩端的支承情況有關支承情況有關 不失穩的條件不失穩的條件若若b b不滿足條件，進不滿足條件，進行穩定性計算行穩定性計算 F FmaxmaxFFC Cmax0CBFFC F H圓柱螺旋壓縮彈簧不失穩的條件：不失穩的條件： 彈簧兩端固定彈簧兩端固定 b5.3b5.3 彈簧一端固定，另一端回轉彈簧一端固定，另一端回轉 b3.7b3.7 彈簧兩端回轉彈簧兩端回轉 b2.6bFFC C1 1、改變、改變b b值，使其小值，使其小于允許值；于允許值；2 2、結構保證穩定性：、結構保證穩定性： a a）導桿）導桿 b b）導套）導套圓柱螺旋壓縮彈簧結構尺寸的計算結構尺寸的計算死圈死圈 0.750.751.251.25圈圈最大載荷下的間隙最大載荷下的間隙 0.1d0.1d結構尺寸計算結構尺寸