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1、第11章 弹簧设计,11-1 概 述,弹簧:spring,一、 弹簧的基本类型,圆柱螺旋 拉伸弹簧,圆柱螺旋 压缩弹簧,截锥螺旋 压缩弹簧,环形弹簧,碟形弹簧,圆柱螺旋 扭转弹簧,涡卷形弹簧,板弹簧,圆柱螺旋扭转弹簧,截锥螺旋 压缩弹簧,环形弹簧,碟 形 弹 簧,涡卷形弹簧,板弹簧,圆柱螺旋拉伸弹簧,圆柱螺旋压缩弹簧, 吸振、缓冲, 完成预定的运动, 储存或释放能量, 测量力的装置,如各种车辆中的减振弹簧,如钟表弹簧,二、 弹簧的功用, 常用材料, 碳素弹簧钢:,适于做小的或要求不高的弹簧, 合金弹簧钢:,热处理性能好、用于受载较大的弹簧, 不锈钢:,耐腐蚀, 非金属材料 :橡胶弹簧等,3、弹
2、簧的材料,弹簧经常受到交变和冲击载荷, 要求,经久不变的弹力,高的静强度和疲劳强度,耐冲击,良好的塑性变形,热处理性能好,按载荷性质弹簧分成三类:,I 类:,II 类:,III 类:,承受变载、冲击 作用次数,承受变载、冲击 作用次数,承受变载或不太重要的弹簧 作用次数,表11-3:,一、弹簧的结构, 压缩弹簧,两端面圈并紧磨平,支承端面与轴线垂直,LI、LII型:,两端面圈并紧不磨平, 拉伸弹簧,LVII型:,YI型:,YIII型:,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,YI型,YIII型,LVII型,11-2 圆柱螺旋拉、压弹簧的设计,二、弹簧的几何尺寸,簧丝直径
3、,外径,内径,中径,节距,螺旋升角,压簧自由高度,有效圈数,总圈数,拉簧长度,弹簧指数, 衡量弹簧曲率重要参数,弹簧指数, 衡量弹簧曲率重要参数,弹簧软、易变形,容易绕制,产生颤动、不稳定,C,D2,通常取C=416,或按表选,三、 弹簧的特性曲线, 弹簧所受载荷与变形的关系曲线,自由高度H0,未受载,受Fmin,高度H1,变形, 压缩弹簧,受Fmax,高度H2,变形,产生的,受Flim,高度Hlim,变形,产生的应力达到材料剪切弹性极限,工作行程,弹簧刚度,一般:, 弹簧无初应力, 拉伸弹簧,自由高度H0,未受载,受Fmin,高度H1,变形,受Fmax,高度H2,变形,受Flim,高度Hli
4、m,变形,工作行程,弹簧刚度, 弹簧有初应力, 拉伸弹簧,绕制时各圈间有一定的压紧力,簧丝中产生一定的预紧力 F0 ,当工作载荷大于 F0 时,弹簧才能伸长,为产生假想变形量 x 的初拉力 F0,弹簧刚度,一般:,四、 弹簧的设计准则,满足强度条件,满足刚度条件,满足稳定性条件,满足强度条件,满足刚度条件,强度条件,刚度条件,簧丝直径 d,弹簧圈数 n,稳定性验算, 强度条件,弹簧剖面的应力:,剪切力,剪应力:,转矩:,= 轴向载荷F,最大扭剪应力:,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,在靠近弹簧轴线的一侧,引入曲度系数K,强度条件:,校核式:,设计式:,外载 F
5、 所做功 弹簧储存变形能,由材料力学知:,转矩,极惯性矩,剪切弹性模量,受扭长度,弹簧变形量:,弹簧刚度:,计算工作圈数:, n 应圆整为0.5的整数倍且大于2, 刚度条件,C,k,n,k,稳定性条件 (对压缩弹簧),两端固定 b 5.3,一端固定一端自由 b 3.7,两端自由 b 2.6,未满足上述要求,则需要进行稳定性验算,高径比,临界载荷,不稳定系数,弹簧刚度,1-两端固定;2 - 一端固定、一端自由;3 - 两端自由,五、 弹簧的设计步骤,1、设计要求,已知:,设计:,最大工作载荷Fmax,最小工作载荷Fmin,簧丝直径d,工作圈数n,尺寸限制和工况,其他尺寸,绘制工作图,工作行程h,2、具体做法, 由强度条件确定簧丝直径d,选C,预选D2,比较d和d, 由刚度条件确定弹簧工作圈数n, 压缩弹簧的稳定性验算, n 应圆整为0.5的整数倍且大于2,K,3、 实例,1) 初选 C,初选弹簧指数 C 7 5.2 6,设计压簧,II类方式工作,端部并紧磨平,2) 计算 n,剪切模量 G 79000 79000,3) 实际变形量,4) 其他几何尺寸,5) 稳定性验算,
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