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弹簧的应用 弹簧的应用 弹簧的应用 11-1 概述 11-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计 几何尺寸和参数 11-3 板弹簧的设计 11-4 碟形弹簧 11-5 其他类型弹簧 * §11-1 概述 §11-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计 §11-3 板弹簧的设计 §11-5 其他类型弹簧 §11-4 碟形弹簧 第十一章 弹簧设计 弹簧的主要功用 1.缓和冲击和吸收振动：汽车缓冲、联轴器吸振； 2.控制机构的运动：内燃机阀门； 3.储存或释放能量：钟表、枪械 4.测量力和力矩的大小：弹簧秤 按承受载荷的不同可分为 —— 拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。 按弹簧形状不同可分为 —— 螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。 弹簧的分类 弹簧的主要类型 一、圆柱拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线 圆柱螺旋弹簧分压缩弹簧和拉伸弹簧。 磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。 弹簧指数（旋绕比） 中径 D2 外径D 内径D1 节距t 螺旋升角α 弹簧丝直径d 圈数n 通常C值在4～16内 弹簧在弹性极限内工作，不允许有塑性变形。 λmin与λmax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。 弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线，称为弹簧的特征曲线。 无初应力的拉伸弹簧，其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。 有初应力的拉伸弹簧的特征曲线，有一段假想的变形量x，相应的初拉力为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。 弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin≥0.2Flim 最大工作载荷通常取 Fmax≤0.8Flim 二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析 主要的约束条件是： 1.强度条件； 2.刚度条件; 对于压缩弹簧，除上述两个约束条件外，还有 3.稳定性条件。 1）强度约束条件 将作用于弹簧的轴向载荷F移至圆形剖面，此剖面上有转矩T=FD2/2和剪切力F的联合作用。 （MPa） 式中，K为曲度系数（或称补偿系数），用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，其值为： 则弹簧丝的强度约束条件为： 二者在弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力 为： 或 （mm） Fmax为弹簧的最大工作载荷。 式中， 为许用剪切应力； 2）刚度约束条件 圆柱螺旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得，即： （mm） 式中，G为材料的剪切弹性模量。 由此可得刚度约束条件为： 或 式中，k为弹簧刚度，表示弹簧单位变形时所需的力。 一般n应圆整为0.5的整数倍，且大于2。 当作用在压缩弹簧的载荷过大，高径比b=H0/D2超出一定范围时，弹簧会产生较大的侧向弯曲而失稳。 为了保证弹簧的稳定性，一般规定： 两端固定时，取b5.3； 3）稳定性约束条件 一端固定、另一端自由时，取b3.7； 两端自由时，取b2.6。 如未能满足上述要求，则要按下式进行稳定性验算： 式中，FC为临界载荷； CB为不稳定系数。 三、弹簧的材料与许用应力 对弹簧的材料的主要要求是： 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。 常用的弹簧材料有： 碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢、铜合金材料以及非金属材料等。 四、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计方法 弹簧设计，一般是根据弹簧的最大工作载荷Fmax、最小工作载荷Fmin、工作行程及其他尺寸限制和工作条件等，确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其他几何尺寸，并绘制工作图。 弹簧的主要约束条件为：强度约束条件，刚度约束条件和稳定性条件（压缩弹簧），除此以外，还可能有一些尺寸约束条件。 具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数；假定弹簧丝直径，再按式11－4、11－7计算出d、n的值及相应的其他几何尺寸。 如果所得结果与设计条件不符合，则重复设计过程。 板弹簧的刚度很大，一种强力弹簧。 一、平板矩形弹簧 主要用于各种车辆的减振装置和某些锻压设备的结构中。 板弹簧分为平板矩形弹簧和重叠板弹簧两类。 设计约束条件为最大弯曲应力和变形需满足： 二、重叠板弹簧 梯形板簧承受比较大的载荷变量，由于其占空间较大，故可将梯形板切成等宽的几块，再重叠起来，形成小型化的板弹簧。 对于重叠式的板弹簧，由于板与