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弹簧参考资料
§12-1概述
弹簧是常用的弹性零件,它在受载后产生较大的弹性变形,吸收并储存能量。
弹簧有以下的主要功能:(1)减振和缓冲。如缓冲器,车辆的缓冲弹簧等。(2)控制运动。如制动器、离合器以及内燃机气门控制弹簧。(3)储存或释放能量。如钟表发条,定位控制机构中的弹簧。(4)测量力和力矩。用于测力器、弹簧秤等。
按弹簧的受力性质不同,弹簧主要分为:拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧和弯曲弹簧。
按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等。
此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等。
§12-2圆柱拉、压螺旋弹簧的设计
一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线
1、弹簧的结构
(1)压缩弹簧(图12-1)
A、型:两端面圈并紧磨平B、YⅢ型:两端面圈并紧不磨平。磨平部分不少于圆周长的3/4,端头厚度一般不少于8。
(a)YⅠ型(b)YⅡ型
图12-1压缩弹簧
(2)拉伸弹簧(图12-2)A、型:半圆形钩B、LⅡ型:圆环钩C、LⅦ型:可调式挂钩,用于受力较大时
图12-2拉伸弹簧
2、主要几何尺寸弹簧丝直径d、外径D、内径、中径、节距p、螺旋升角?、自由高度(压缩弹簧)或长度(拉伸弹簧),如图12-3。此外还有有限圈数n,总圈数,几何尺寸计算公式见表12-1。
(a)(b)
图12-3圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数
表12-1圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式
名称及代号
压缩螺旋弹簧
拉伸螺旋弹簧
弹簧直径
由强度计算公式确定
弹簧中径D2
D2
弹簧内径D1
D12
弹簧外径
2
弹簧指数C
2一般4≤C≤6
螺旋升角?/°
对压缩弹簧,推荐?=5°~9°
有效圈数n
由变形条件计算确定一般n2
总圈数n1
压缩n1=n+(2~2.5);拉伸n1=nn1=n+(1.5~2)(YⅠ型热卷);n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈,推荐1/2圈
自由高度或长度H0
两端圈磨平n1=n+1.5时,H0=
n1=n+2时,H0=1.5d
n1=n+2.5时,H0=2d
两端圈不磨平n1=n+2时,H0=3d
n1=n+2.5时,H0=3.5d
型H0=(1)1Ⅱ型H0=(1)21Ⅶ型H0=(1.5)2D1
工作高度或长度
=H0-λn
=H0+λn,λn-变形量
节距
p=d
间距?
?=p-d
?=0
压缩弹簧高径比b
b=H02
展开长度
?D2n1?
?D2钩部展开长度
弹簧指数C:弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即:2。
弹簧丝直径d相同时,C值小则弹簧中径D2也小,其刚度较大。反之则刚度较小。通常C值在4~16范围内,可按表12-2选取。
表12-2圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C
弹簧直径
0.2~0.4
0.5~1
1.1~2.2
2.5~6
7~16
18~42
C
7~14
5~12
5~10
4~10
4~8
4~6
3、特性曲线
弹簧所受载荷及其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。
(1)压缩弹簧其特性曲线如图12-4所示。图中H0为弹簧未受载时的自由高度。为最小工作载荷,它是使弹簧处于安装位置的初始载荷。在的作用下,弹簧从自由高度H0被压缩到H1,相应的弹簧压缩变形量为λ。在弹簧的最大工作载荷作用下,弹簧的压缩变形量增至λ。图中为弹簧的极限载荷,在其作用下,弹簧高度为,变形量为λ,弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外,图中的λλ,称为弹簧的工作行程。
图12-4圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图12-5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线
(2)拉伸弹簧
其特性曲线如图12-5所示。按卷绕方法的不同,拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。无初应力的拉伸弹簧其特性曲线及压缩弹簧的特性曲线相同。有初应力的拉伸弹簧的特性曲线,如图12-5c所示。有一段假想的变形量x,相应的初拉力F0,为克服这段假想变形量使弹簧开始变形所需的初拉力,当工作载荷大于F0时,弹簧才开始伸长。对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为≥0.2,对于有初拉力的拉伸弹簧F0;弹簧的工作载荷应小于极限载荷,通常取≤0.8,因此,为保持弹性的线性特性,弹簧的工作变形量应取在(0.2~0.8)λ范围内。
二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析
1、强度约束条件图12-6为承受轴向载荷的压缩弹簧,现分析其受力情况,拉伸弹簧的簧丝受力情况完全相同。如图12-6a,在通过轴线的剖面上,弹簧丝的剖面为椭圆,但由于螺旋升角一般很小,可近似地用圆形剖面代替。
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