機(jī)械設(shè)計(jì)教程第3版機(jī)械工業(yè)出版社第十五章彈簧設(shè)計(jì)第一節(jié)概述

第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算第五節(jié)圓柱螺旋拉伸彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算第六節(jié)受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算第七節(jié)其他類型彈簧簡(jiǎn)介

第一節(jié)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(chǎn)生較大的彈性變形。彈簧在各類機(jī)器中的應(yīng)用十分廣泛,其主要功用是:1)吸收振動(dòng)和緩和沖擊。用彈簧吸收沖擊和振動(dòng)時(shí)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(jī)械的運(yùn)動(dòng)。用彈簧力來(lái)控制運(yùn)動(dòng),如離合器中的控制彈簧(圖15-1a)、內(nèi)燃機(jī)中控制氣缸閥門啟閉的彈簧等。3)儲(chǔ)存能量。用彈簧的變形能來(lái)儲(chǔ)存能量,如機(jī)械式鐘表彈簧(圖15-1b)、槍栓彈簧等。4)測(cè)量力的大小。用彈簧的載荷-變形性能測(cè)量載荷,如彈簧秤和測(cè)力器中的彈簧等。第一節(jié)概述

一、彈簧的功用圖15-1彈簧應(yīng)用示例a)離心離合器b)鐘表發(fā)條第一節(jié)概述

二、彈簧的類型彈簧的類型很多,根據(jù)受載的性質(zhì),彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種。根據(jù)彈簧的形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、渦卷彈簧和板彈簧。此外,除金屬?gòu)椈芍?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(jiǎn)便,價(jià)格較低,易于檢測(cè)和安裝,所以應(yīng)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(zhuǎn)矩作用或完成扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)彈簧,見(jiàn)表15-1。碟形彈簧和環(huán)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(dāng)大和彈簧軸向尺寸受限制的地方,可以采用碟形彈簧。環(huán)形彈簧是目前減振緩沖能力最強(qiáng)的彈簧,常用于近代重型機(jī)車、鍛壓設(shè)備和飛機(jī)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(nèi)保持作用力不變,常用于儀器和鐘表的儲(chǔ)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(chǎng)合。由于板彈簧有較好的消振能力,所以在汽車、拖拉機(jī)和鐵路車輛的懸掛裝置中均普遍使用這種彈簧。螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧是扭轉(zhuǎn)彈簧中最常用的一種。由于圓柱形螺旋彈簧應(yīng)用較廣,尤以螺旋壓縮彈簧的受力分析和設(shè)計(jì)計(jì)算都比較典型,所以本章主要討論圓柱形螺旋壓縮彈簧。關(guān)于其他類型彈簧,讀者可參考文獻(xiàn)[19]。第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料彈簧在工作時(shí),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(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)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(shí)踐中應(yīng)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(qiáng)度。第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造一、彈簧的材料第二節(jié)彈簧的材料、選材與制造二、材料的選擇選擇彈簧材料時(shí),要充分考慮到彈簧的用途、重要程度與所受的載荷性質(zhì)、大小、循環(huán)特性、工作溫度、周圍介質(zhì)等使用條件,以及加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素,以便使選擇結(jié)果與實(shí)際要求相吻合。碳素彈簧鋼強(qiáng)度高,性能好,價(jià)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(chǎng)合。當(dāng)受力較小而又要求防腐蝕、防磁等時(shí),可以采用有色金屬?gòu)椈伞４送?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(jié)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(guò)程如下:①繞制。②鉤環(huán)制造。③端部的制作與精加工。④熱處理。⑤工藝試驗(yàn)等。重要的彈簧還要進(jìn)行強(qiáng)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(dāng)彈簧絲直徑d≤8mm時(shí)用冷卷法繞制,冷態(tài)下卷繞的彈簧常用冷拉并經(jīng)預(yù)先熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲,卷繞后一般不再進(jìn)行淬火處理,只需低溫回火以消除卷繞時(shí)的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)彈簧絲直徑較大(d>8mm)時(shí)則要用熱卷法繞制。在熱態(tài)下卷制的彈簧,卷好后要進(jìn)行淬火和回火處理。彈簧的疲勞強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)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(méi)有裂縫和傷痕等缺陷。表面脫碳會(huì)嚴(yán)重影響材料的疲勞強(qiáng)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(yàn)收彈簧的技術(shù)條件中詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于重要的彈簧,還要進(jìn)行工藝檢驗(yàn)和沖擊疲勞等試驗(yàn)。第二節(jié)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(guò)工作極限載荷下進(jìn)行強(qiáng)壓處理(受載6~48h),以便在簧絲內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和有益的殘余應(yīng)力,由于殘余應(yīng)力的符號(hào)與工作應(yīng)力相反,因而彈簧在工作時(shí)的最大應(yīng)力(圖15-2)比未經(jīng)強(qiáng)壓處理的彈簧小。一般經(jīng)過(guò)一次強(qiáng)壓處理的彈簧其承載能力可提高約25%;若經(jīng)噴丸處理可提高20%。但須注意,強(qiáng)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(yīng)力,強(qiáng)壓處理后不應(yīng)做其他熱處理,否則會(huì)使強(qiáng)壓處理失去意義。在高溫、長(zhǎng)期振動(dòng)或有腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧,也不宜采用這種強(qiáng)化工藝。圖15-2強(qiáng)壓處理彈簧絲的應(yīng)力分布示意圖a)殘余應(yīng)力分布b)工作應(yīng)力分布第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度一、彈簧的參數(shù)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(nèi)徑D1,彈簧圈中徑D,節(jié)距t、螺旋升角α、自由高度H0和有效圈數(shù)n等。圖15-3圓柱彈簧的幾何參數(shù)第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度一、彈簧的參數(shù)及幾何尺寸彈簧設(shè)計(jì)中,旋繞比(或稱彈簧指數(shù))C是最重要的性能參數(shù)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(shù)。彈簧指數(shù)越小,其剛度越大,彈簧越硬,彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差越大,材料利用率低;反之彈簧越軟。設(shè)計(jì)時(shí),常使彈簧指數(shù)C值在4~10之間,可參考表15-4選取。第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度一、彈簧的參數(shù)及幾何尺寸

第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度一、彈簧的參數(shù)及幾何尺寸第三節(jié)彈簧的參數(shù)、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(guān)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(zhǎng)量;受扭轉(zhuǎn)的彈簧,載荷是指轉(zhuǎn)矩,變形是指扭轉(zhuǎn)角。按照結(jié)構(gòu)形式不同,常見(jiàn)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(yīng)繪制在彈簧零件圖上,作為檢驗(yàn)與試驗(yàn)的依據(jù)之一。同時(shí)還可在設(shè)計(jì)彈簧時(shí),利用特性曲線進(jìn)行載荷與變形關(guān)系的分析。圖15-4彈簧特性曲線第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度三、彈簧剛度

第三節(jié)彈簧的參數(shù)、特性曲線與剛度三、彈簧剛度實(shí)際上彈簧剛度就是彈簧特性曲線上某點(diǎn)的斜率。符合圖15-4a所示的直線型彈簧,其剛度為一常數(shù)。這種彈簧的特性曲線越陡,彈簧剛度相應(yīng)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(shí),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(shí),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(dòng)能一定時(shí),獲得較小的沖擊力,應(yīng)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(dòng)載荷或沖擊載荷作用的彈簧往往設(shè)計(jì)成變剛度彈簧。第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算彈簧設(shè)計(jì)的任務(wù)包括選擇材料、確定彈簧絲直徑、彈簧圈數(shù)、變形量、結(jié)構(gòu)尺寸和必要的工作性能計(jì)算等。一、彈簧的受力當(dāng)壓縮彈簧受到軸向載荷F作用時(shí),如圖15-5所示,在彈簧絲任何橫斷面上將作用有:轉(zhuǎn)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(duì)于壓縮彈簧α<10°),故彎矩M和法向力N可以忽略不計(jì)。因此,在彈簧絲橫斷面上起主要作用的外力是轉(zhuǎn)矩T和切向力Q。α值較小時(shí),cosα≈1,可取T=FR和Q=F。這種簡(jiǎn)化對(duì)于計(jì)算的準(zhǔn)確性沒(méi)有多大影響。當(dāng)拉伸彈簧受軸向拉力F時(shí),彈簧絲橫斷面上的受力情況和壓縮彈簧相同,只是轉(zhuǎn)矩T和切向力Q的方向與壓縮彈簧的相反。第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)力分析第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算二、彈簧絲直徑的計(jì)算

第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算三、彈簧圈數(shù)及剛度的計(jì)算

第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算四、穩(wěn)定性計(jì)算

第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算四、穩(wěn)定性計(jì)算圖15-6彈簧失穩(wěn)現(xiàn)象及防止措施a)失穩(wěn)b)加裝導(dǎo)桿c)加裝導(dǎo)套第四節(jié)圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算四、穩(wěn)定性計(jì)算圖15-7不穩(wěn)定系數(shù)1—兩端固定2—一端固定3—兩端自由旋轉(zhuǎn)第五節(jié)圓柱螺旋拉伸彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算一、無(wú)初拉力的拉伸彈簧設(shè)計(jì)無(wú)初拉力的拉伸彈簧除了不需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算外,其他如簧絲直徑計(jì)算等均與壓縮彈簧相同,但考慮到鉤環(huán)彎曲對(duì)應(yīng)力的影響,往往將許用應(yīng)力降低20%。二、有初拉力的拉伸彈簧計(jì)算

第六節(jié)受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)于循環(huán)次數(shù)較多、工作在變應(yīng)力下的重要彈簧,應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不多或應(yīng)力變化幅度較小時(shí),應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度驗(yàn)算。當(dāng)上述兩種情況不能明確區(qū)分時(shí),則應(yīng)同時(shí)進(jìn)行這兩種強(qiáng)度的驗(yàn)算。第六節(jié)受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算一、疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

第六節(jié)受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算二、靜強(qiáng)度驗(yàn)算

第七節(jié)其他類型彈簧簡(jiǎn)介一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧(表15-1)承受扭轉(zhuǎn)載荷,具有線性特性曲線。圓柱形扭轉(zhuǎn)彈簧常做成螺旋形,在自由狀態(tài)下,彈簧圈之間不并緊,各圈間留有少量間隙,否則工作時(shí)各圈間將相互摩擦并產(chǎn)生磨損。圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)基本上與圓柱壓縮(拉伸)螺旋彈簧相似。圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧主要用于壓緊和蓄力以及傳動(dòng)系統(tǒng)中的彈性環(huán)節(jié)等,使用較為廣泛,如門窗鉸鏈彈簧和汽車起動(dòng)裝置彈簧等。第七節(jié)其他類型彈簧簡(jiǎn)介二、環(huán)形彈簧環(huán)形彈簧是由帶有內(nèi)錐面的外圓環(huán)和帶有外錐面的內(nèi)圓環(huán)配合而成的(表15-1),內(nèi)、外圓環(huán)的對(duì)數(shù)根據(jù)載荷的大小及變形量的要求決定。當(dāng)彈簧受軸向載荷時(shí),內(nèi)、外圓環(huán)的接觸面間將產(chǎn)生很大的法向壓力,使內(nèi)圓環(huán)直徑減小,外圓環(huán)直徑增大。由于內(nèi)、外圓環(huán)直徑改變,使彈簧產(chǎn)生了軸向位移。當(dāng)載荷取消后,彈簧又在彈性內(nèi)力的作用下恢復(fù)原來(lái)的尺寸。環(huán)形彈簧是一種強(qiáng)力彈簧,承載能力大,具有較強(qiáng)的遲滯作用,緩沖吸振能力強(qiáng),因此常用于車輛的緩沖裝置、火炮和飛機(jī)起落架等的緩沖裝置中。第七節(jié)其他類型彈簧簡(jiǎn)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(shí)用中一般是將多個(gè)碟形彈簧組合起來(lái),并裝在導(dǎo)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(guò)程中有能量消耗,因此