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1、第十三章 弹簧,13.1 弹簧概述,弹簧是一种弹性元件，具有弹性大、易变形的特点。可以多次重复地随外载荷的大小而作相应的弹性变形，卸载后又能立即恢复原状的特性，在各类机械中应用十分广泛。,13.1.1 弹簧的功用,1.缓和冲击和吸收振动：具有较大的弹性变形能力(汽车、火车的缓冲等),2.控制机构的运动：在一定变形范围内的刚度变化不大(凸轮机构、离合器等),3.储存能量：既要有较大的弹性，又要求作用力较稳定。(钟表、枪械等),4.测量力的大小：这类弹簧要求其受力与变形呈线性关系。（弹簧秤等）,1按承受载荷的不同可分为:,拉伸弹簧 压缩弹簧扭转弹簧 弯曲弹簧,13.1.2 弹簧的类型和特点,2按弹
2、簧形状不同可分为:,螺旋弹簧 碟型弹簧环形弹簧 涡卷形盘簧 板弹簧,3 按制作弹簧的材料分为三种,黑色金属弹簧，如钢丝弹簧。有色金属弹簧，如铜丝弹簧非金属弹簧，如橡胶弹簧，空气弹簧和塑料弹簧等。,摩托车弹簧,汽车弹簧,F工作载荷f 变形量,13.2 圆柱螺旋弹簧的材料、结构和制造,弹簧的材料及许用应力,对弹簧材料的主要要求是：,1.必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；,2.具有良好的热处理性能,热处理后应有足够的经久不变的弹性,且脱碳性要小;,3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。,弹簧主要在动载荷作用下工作，要求在受较大应力情况下，不产生塑性变形。,常用的弹簧材料：金属
3、材料：如碳素弹簧钢、合金弹簧钢（如低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢等）、不锈钢等。有色金属材料，如青铜丝（腐蚀环境用）。非金属弹簧材料，如橡胶、塑料、软木和空气等。常用的金属弹簧材料在P292表13.2中可以查选。,选择弹簧材料的原则综合考虑：1）弹簧的功用；2）重要程度；3）工作条件，如载荷大小、性质、周围介质和工作温度 等4）热处理方法。并要参考现有设备使用的弹簧，选择出满足要求的弹簧材料。,弹簧材料的许用应力,查P292表13.2和P293表13.3按受载情况和重要程度将弹簧分为3类：I类用于承受载荷循环次数106次以上的变载荷的弹簧 类用于承受载荷循环次数103106次之间的变 载荷或冲击载荷以
4、及承受静载荷的重要弹簧 类用于承受载荷循环次数103次以下的变载荷或 承受静载荷的一般弹簧,13.2,碳素弹簧丝的抗拉强度极限B与弹簧丝直径d有关。,螺旋弹簧的制造,螺旋弹簧的制造过程主要包括：,卷绕,端部及钩头制作,热处理,工艺实验及强化处理,（1）卷绕 冷卷：d810mm，冷卷弹簧多用冷拉的、预先已进行热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷成后只做低温回火处理，以消除内应力。热卷：d810mm，热卷温度按d大小，在8001000之间选择，然后先淬火后回火处理。,按两端面圈并紧和磨平与否分四种形式YI、YII、Y和YIV型。,1）压缩弹簧的端部结构,弹簧的端部结构,（2）钩环的制作或两端的加工,较重要
5、的受压弹簧，应将端面圈并紧并磨平。一般受压弹簧，并紧不磨或不并紧。磨平与否与簧丝直径有关当d 0.5mm时，两支承圈可不磨平当d0.5mm时，两支承圈需要磨平磨平部分不应少于3/4周长，端头部分厚度一般不小于d/4。支承圈（死圈）n2：当圆柱螺旋压缩弹簧的两个端面圈与邻圈并紧，无间隙，不参与变形，只起支承作用称为支承圈。支承圈数与弹簧工作圈数有关当n 7时，支承圈数 n23/4；当n7时，支承圈数 n213/4,2）拉伸弹簧的端部结构,为了安装和加载，端部做钩。（a）（d）端部和钩过渡处出现较大的弯曲应力，降低拉簧的强度和寿命。常用于d10mm弹簧中。（e）和（f）将挂钩和弹簧分别制造，再组装
6、，制成附加钩环结构，可消除这种影响。常用于弹簧受力较大的场合。,强拉强压处理后。不允许再进行其他处理，也不允许在150oC450oC和长期振动条件下工作。,（4）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。,（3）热处理,冷卷：低温回火处理，以消除内应力；热卷：先淬火后回火处理。,加工设备,数控电脑卷簧机,数控万能电脑卷簧机,数控高速扭簧机,数控电脑弹簧端面磨床,13.3 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计,圆柱形压缩螺旋弹簧与拉伸螺旋弹簧的设计计算内容主要有：,1、确定结构形式和特性线；,2、选择材料和确定许用应力；,3、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；,4、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；,5、
7、确定弹簧的基本参数、尺寸等。,圆柱螺旋压缩弹簧,圆柱螺旋拉伸弹簧,虽然压簧与拉簧结构不同，但是变形和作用力的关系基本相同，以讨论压簧的设计计算为主，方法也适用于拉簧。,1 主要几何参数：中径D，外径D2，内径D1，节距p，螺旋升角，弹簧丝直径d，自由高度H0和弹簧工作圈数 n 等。,弹簧的几何参数和尺寸,2 弹簧指数（旋绕比）C,3 弹簧总圈数 n1：n1nn2,n 工作圈数n2 支承圈数,表13.6 圆柱形螺旋压缩（拉伸）弹簧的几何尺寸,P296,弹簧的特性线,1 表示载荷与相应变形之间关系的曲线称为弹簧的特性线。,2 弹簧的载荷变量和变形变量之比称为弹簧的刚度。用符号 KF 表示：,1）定
8、刚度弹簧 KF 为常数，特性线为直线。2）变刚度弹簧KF 为变数，特性线曲线或折线。,刚度特性线上某点的斜率斜率大刚度大。,3 圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线,1与2之差称为弹簧的工作行程,Flim为弹簧的极限工作载荷，在它的作用下弹簧丝内的应力达到了弹簧材料的屈服极限。,F1 最小工作载荷,F2 最大工作载荷,弹簧的最小工作载荷通常取为,最大工作载荷通常取,弹簧间隙,F2作用下的间隙,余 隙,极限工作载荷Flim 的大小应保证弹簧丝中所产生的极限切应力 在以下范围内：,对于类弹簧,对于类弹簧,对于类弹簧,弹簧的强度计算,A-A平面：通过弹簧轴线的平面,弹簧丝的剖面呈椭圆形。B-B平面：垂
9、直于弹簧丝的平面，弹簧丝的剖面呈圆形。两剖面间夹角为弹簧的螺旋升角,当弹簧受载荷F作用时：A-A剖面：转矩 剪切力,1 弹簧的受力,而在B-B剖面上则作用有 转矩,弯矩,切向力,法向力,因为很小（一般50 90），可以近似认为,起主要作用的外载荷就为：T和Ft,该剖面上的应力可近似的取为,如把弹簧丝的曲率影响忽略不计，可以近似地视为直梁，则:,转矩T引起的切应力,切向力 引起的切应力,2 弹簧的应力,在弹簧丝内侧a点的合成应力最大为：,考虑弹簧升角和曲率的影响引入一个修正系数K,其强度条件,式中K称为曲度系数,当按强度条件计算弹簧丝直径d时,应以最大工作载荷 代替式中的,则得,mm,与弹簧丝直
10、径d有关，因此应反复计算。,C的取值：为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。,当d一定时，C值越小，刚度越大（后面讲到），曲率越大，内外侧应力差越大。,取值见P299表13.7,C值的大小跟簧丝直径有关。,弹簧的变形和刚度,由材料力学可知，圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生的轴向变形量为：,（1）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧,G切变模量（表13.2）,（2）对于有初应力的拉伸弹簧,F0为初拉力,为预应力,弹簧的工作圈数n的多少取决于弹簧的变形或刚度,一般,定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为,影响弹簧刚度的因素很多：C的影响很
11、大此外，G,d,n也有影响,13.3.5 弹簧的稳定性,压缩弹簧的自由高度 H0 与中径 D 之比，称为高径比，即,为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b值应满足下列要求：,两端固定时,一端固定另一端自由转动时,两端均自由转动时,当b值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。保持稳定时的临界载荷由下式计算,为保证弹簧的稳定性，最大工作载荷F2与临界载荷Fc 之间应满足以下关系,不稳定系数CB,如果不满足要求可以改变b，提高Fc,若受条件限制不能改变参数时，可加导杆或导套或采用组合弹簧,组合式弹簧减振器,圆柱形螺旋弹簧的设计,设计的一般步骤如下：,1.选择材料和确定许用应力。,(1)初选弹簧指数C,(2
12、)根据初选C值及安装空间估计中径 D,估取弹簧丝直径,(3)选择材料,确定许用应力,1 受静载荷圆柱螺旋弹簧的设计,2.根据强度条件试算弹簧丝直径。,3.根据变形条件计算弹簧工作圈数。,4.计算弹簧主要尺寸(表13.6)。,5.验算稳定性。,6.绘制弹簧工作图（必须包括特性线）。,两端固定时,一端固定另一端自由转动时,两端均自由转动时,P302 例 13.1,2 受交变载荷的弹簧设计,受交变载荷的弹簧除了按最大工作载荷及变形进行设计计算外，还应根据具体情况进行疲劳强度、静强度安全系数验算和振动验算,1）疲劳强度验算,疲劳强度安全系数为,式中 0 弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，MPa，按载荷循
13、环次数N由表13.9查取 min最小扭应力，MPa；Fmin最小工作载荷，N；max最大扭应力，MPa；Fmax最大工作载荷，N；S 许用安全系数，当弹簧计算和材料 的性能数据精确度高时，取1.31.7；精确度较低时，取1.82.2。,2、静强度安全系数验算用峰值载荷进行静强度校核，静强度安全系数为,式中 弹簧材料的许用切应力，MPa，由表13.2查取；Ss静强度许用安全系数，取值与S相同。,3、振动验算 受高频率循环载荷的圆柱螺旋弹簧，当载荷循环频率接近或等于弹簧的自激振动固有频率时，会发生共振而导致破坏。因此，应对弹簧进行振动验算，以保证载荷激励频率远低于其基本自激振动固有频率。,圆柱螺旋
14、弹簧的基本自激振动固有频率f（在弹簧两端固定的情况下）为：,式中 f弹簧的基本自激振动固有频率，Hz；c弹簧刚度，N/m；m弹簧质量，kg。,弹簧的基本自激振动固有频率f,fg工作频率,当设计受压载荷较大而尺寸受安装条件限制的螺旋压缩弹簧,或为了改善弹簧的性能，可采用组合弹簧。常用几个直径不等的弹簧同心配置，构成组合弹簧这种弹簧与普通单个弹簧相比，减少了弹簧重量且由于钢丝直径小，便于制造。,组合弹簧,补充知识,圆柱螺旋扭转弹簧常用于压紧、储能和传递转矩等，使用较为广泛。如门窗铰链弹簧、汽车启动装置弹簧、电动机的电刷等,蝶形弹簧,蝶形弹簧是由薄钢板冲压而成的无底蝶形弹簧片构成用于空间尺寸小，外载
15、荷较大的缓冲减震装置中,碟形弹簧的应用,环形弹簧,环形弹簧是由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一种压缩弹簧是一种强力弹簧，具有很强的缓冲吸振作用,平面涡卷弹簧,板 簧,板簧是由若干片长度不等，曲率不同的弹簧钢板重叠起来，并加装弹簧夹等组成，多用于车辆的悬挂装置,橡胶弹簧近年来，橡胶弹簧在国内、外许多设备及机械工程中的应用日益广泛，如仪器的座垫、发动机的支承以及机器的减震器等,与金属弹簧相比，橡胶弹簧的主要优点是：（1）同一橡胶弹簧能同时承受多向载荷，形状不受限制，各方向的刚度可以根据设计要求选择。对简化车辆悬挂系统的结构具有显著优点。（2）单位体积存储能量较高，能产生较高的内阻，这对于突然冲击
16、和高频振动的吸收以及隔音具有良好的效果。（3）弹性模量远比金属小，可得到较大的弹性变形，易实现理想的非线性特性。（4）结构简单，安装拆卸方便，且无需润滑油，有利于维护和保养。其缺点是耐高、低温和耐油性比钢弹簧差。,橡胶弹簧及其特性线,空气弹簧空气弹簧是在一密闭容器中，储入压力空气，利用空气的不可压缩性实现弹簧作用。空气弹簧与金属弹簧相比，其优点是:能同时承受轴向和径向载荷；通过高度控制阀，可使空气弹簧的工作高度在任何载荷条件下保持一定；可以将特性线设计成理想的形状；吸收高频振动和隔音的性能好，具有良好的弹性等。为防止振动公害，空气弹簧是一个重要的发展方向。,轨道车辆专用的空气弹簧由气囊、相配的
17、附加簧(应急簧)和专用金属件组成。通过组合使用不同气囊(半鼓型气囊、有束带型气囊及碟型气囊)与不同的附加簧(如层叠簧、锥型簧和所谓的半沙漏式弹簧)几乎可以满足任何特殊负荷的需求,本章小结1）了解弹簧的功用、分类、材料及许用应力的确定。2）掌握圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的主要几何参数、特性线、强度计算与刚度计算的目的和计算公式。3）掌握用强度条件确定d,用刚度条件计算n4)掌握各个参数对弹簧强度和刚度的影响,第十四章 机架零件,14.1 概 述,机座和箱体的一般类型,机座和箱体按构造形式可分为：机座类、机架类、基板类和箱壳类等四大类。,机架的作用：1 支承着机器中的全部零件2 保证组成机器的各零
18、件都处于正确的工作关系3 承受各零件传递到机架上的作用力,常见机架的类型,常用机架零件的材料及制造方法,固定式机器的机座和箱体通常采用铸铁或铸钢。,运行式机器的机座和箱体通常采用钢或轻合金材料。,批量生产且结构复杂的零件以铸造为宜。,单件或少量生产的零件则以焊件为宜。,14.1.3 机架零件设计的基本要求：1 有足够的强度和刚度2 形状简单，便于制造。3 便于在机架上安装附件4 对于缸体、导轨等的机架零件，应具有良好的耐磨性，以保证机器具有足够的使用寿命。5 对于高速机器的箱体及机架零件，应满足振动稳定性的要求,14.2 机架零件的计算载荷及截面形状,计算载荷,计算机架零件时应以可能出现的最大
19、载荷作为计算载荷。,经验公式法不太重要的机架经验公式+模型（实物）形状复杂的机架有限元精确计算重要的机架零件,主要受弯曲的零件，选用工字形截面为好主要受扭转的零件，选用圆管形截面为好,截面形状,肋板布置,正确地增设肋板可以有效地增大机座和箱体的强度和刚度。如果肋板布置不当，不仅不能增大机座和箱体的强度与刚度，反而会造成浪费工料及增加制造的难度。,14.3 机架零件的结构设计,机座和箱体等零件工作能力的重要指标是刚度，其次是强度、抗振性能和耐磨性等。,一般机座和箱体的结构尺寸可按经验公式、经验数据或类比法设计，对于重要的机座和箱体应进行精确计算。,设计机座和箱体时，应便于加工、装拆、吊装，连接可
20、靠，对于冲击振动大的机器、机架和地基间应加装隔振板器。,14.3.1 机架的结构形式,1 整体式,优点：刚度好、结构简单、零件数量少缺点：装配较困难用于小型减速器（a120mm),蜗杆减速器机体,2 剖分式机座优点：装拆方便缺点：增加零件数量,14.3.2 轴承座支承刚度,1.保证轴承座有足够的厚度，一般为机体厚度的22.5倍2.为轴承座加支承筋3.提高剖分式轴承座的螺栓连接刚度,14.3.3 机体的固定,轴装悬挂式减速器输出轴为空心轴，套装在工作机输入轴上。结构简单、安装方便、外廓尺寸小、成本低，常用于较轻的小型减速器。,14.3.4 机体的工艺性,1 减少机械加工的表面,最好 次之 最差,区分加工面和非加工面 减少加工次数,3 应保证加工面能够方便地加工,14.3.5 机体的造型设计,
