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1、第二十四章弹簧内容提要本章的主要内容,是以圆柱螺旋压缩弹簧为例,讨论圆柱螺旋弹簧的设计计算｡其中,重点介绍弹簧的承载及特性线,弹簧的受力分析和弹簧的强度计算｡第一节概述一､弹簧的功用弹簧是一种用途很广的弹性元件,它在机械设备､仪器仪表､交通运输工具及日常生活用品中得到广泛应用｡利用弹簧本身的弹性,在产生变形和复原的过程中,可把机械功或动能转变为变形能,或把变形能转变成机械功或动能｡弹簧的主要功用是:1)控制机构运动,如内燃机中的气门､制动器､离合器上的弹簧｡2)减振和缓冲,如各种车辆的悬挂弹簧､缓冲器中的弹簧｡3)存储和释放能量,如钟表中的弹簧､自动控制机构上的弹簧
2、｡4)测力,如弹簧秤､测力器中的弹簧｡二､弹簧的类型和特点按承受载荷的不同,弹簧分为拉伸弹簧､压缩弹簧､扭转弹簧和弯曲弹簧;按弹簧外形的不同又可以分为螺旋弹簧､碟形弹簧､环形弹簧､板弹簧等;按弹簧材料的不同弹簧分为金属弹簧和非金属弹簧｡表24-1给出常用弹簧的类型和特点｡三､弹簧的刚度和特性线使弹簧产生单位变形所需的载荷称为弹簧刚度,用表示｡拉､压弹簧的刚度扭转弹簧的刚度(24-1)式中,F为弹簧的工作载荷(拉力或压力);T为弹簧的工作扭矩;l为弹簧的伸长或压缩量;j为弹簧的扭转角｡弹簧的刚度越大,弹簧越硬｡反之,弹簧越软｡弹簧所受的工作载荷和弹簧受载后的变形量之间
3、的关系曲线称弹簧的特性线,它分为直线型､刚度渐增型､刚度渐减型和混合型(图24-1)｡5a)b)图24-1弹簧特性线表24-1常用弹簧的主要类型和特点名称简图特性线特点圆柱螺旋压缩弹簧图一图1特性线为直线,刚度为常量｡结构简单,制造方便｡应用较广圆柱螺旋拉伸弹簧图二特性线为直线,刚度为常量｡结构简单,制造方便｡应用较广圆柱螺旋扭转弹簧图三图2主要作为压紧和储能装置,特性线为直线截锥螺旋弹簧图四图3特性线为非线性,刚度为变量｡防振能力强,结构紧凑5续名称简图特性线特点平面涡卷弹簧图五图4存储能量大,特性线为直线,多用于仪表和钟表中的储能弹簧碟形弹簧图六图5缓冲吸振能力
4、强,采用不同组合可以得到不同的特性线,多用于重型机械中的缓冲吸振环形弹簧图七图6吸振和缓冲能力强,多用于重型机械的缓冲和吸振板弹簧图八图7分单板和多板弹簧,主要用于汽车､拖拉机和铁路车辆的悬挂弹簧直线型特性线的弹簧刚度为常量,该类弹簧称定刚度弹簧｡刚度渐增型特性线,弹簧受载越大,弹簧的刚度越大;刚度渐减型特性线,弹簧受载越大,弹簧刚度越小｡弹簧刚度为变量的弹簧,称为变刚度弹簧｡弹簧特性线和弹簧刚度,是设计､选择､制造和检验弹簧的重要依据｡四､弹簧的变形能弹簧承受工作载荷后产生变形,此时所储存的能量称为变形能,其符号为｡弹簧卸载复原时,将其能量以弹簧功的形式放出｡若加
5、载曲线与卸载曲线重合(图24-2a),表示弹簧变形能全部以作功的形式放出;若加载曲线与卸载曲线不重合(图24-2b),表示只有部分能量以作功形式放出,而另一部分能量因内阻尼等原因而消耗,所消耗的能量为,值越大,5说明弹簧的吸振能力越强｡若只需弹簧作功,应选择两曲线尽可能重合的弹簧;若仅用弹簧吸振,应选择两曲线不重合的弹簧｡a)b)图24-2弹簧的变形能第二节弹簧的材料和制造一､弹簧材料和许用应力1.弹簧材料弹簧的性能和寿命,主要取决于弹簧的材料,因此要求弹簧材料有较高的抗拉强度､屈服强度和疲劳强度,同时要有足够的冲击韧性和良好的热处理性能｡常用的弹簧材料有下列几种｡
6、(1)碳素弹簧钢这种弹簧钢价格便宜,用于尺寸较小和一般用途的螺旋弹簧及板弹簧｡普通碳素弹簧钢丝按强度分为B､C､D三级;油淬火——回火碳素弹簧钢丝按强度分为A､B二组｡(2)合金弹簧钢这类钢中含有锰､硅､铬､钒､硼等合金元素,大大提高了钢的淬透性和力学性能,适用于在循环载荷和冲击载荷工况下的弹簧｡常用的合金弹簧钢有硅锰弹簧钢(60Si2Mn)､铬钒弹簧钢(50CrVA)等｡(3)不锈钢和铜合金对于有耐蚀､防磁和导电等性能要求的弹簧,可以选用不锈钢和铜合金材料制造弹簧｡铜合金中以锡青铜､硅青铜和铍青铜应用较多｡非弹簧钢和非金属材料也可以用于制造弹簧,常用的非金属材料有
7、橡胶和纤维增强塑料｡用于弹簧的还有弹性合金等材料｡常用弹簧钢丝的抗拉强度值,见表24-3(表中值均为下限值)｡2.许用应力弹簧材料的许用应力与弹簧的类型､材料的力学性能､簧丝直径和载荷性质有关,具体数值查表24-2｡二､弹簧制造螺旋弹簧的制造工艺过程为:卷制､端部制作与加工､热处理､工艺试验等,对重要的弹簧要进行强压处理｡弹簧的卷制分为冷卷和热卷两种｡簧丝直径d<8~6mm5的弹簧用冷卷,冷卷后的弹簧需经低温回火以消除内应力;对簧丝直径较大的弹簧采用热卷,热卷的温度在800~950℃的范围内,弹簧卷成后必须进行淬火､中温回火等处理｡对于重要的弹簧常要进行性能试验
