弹性元件(共54张PPT)

第十三章弹性元件周怡琳2021/11/71第1页，共54页。第一节概述第二节弹性元件的基本特性第三节螺旋弹簧第四节游丝第五节片簧第六节热双金属弹簧第七节其他弹性元件简介2021/11/72第2页，共54页。第一节概述的弹性外力作用下产生变形，外力除去后恢复原状的性能。弹性元件利用材料的弹性性能完成各种功能的零件或部件。弹性元件的类型片簧平面涡卷簧（平卷簧）螺旋弹簧压力弹簧管波纹管膜片2021/11/73第3页，共54页。第一节概述上述类型的弹性元件，按照它们的用途分为两大类：测量弹性元件用来把某些物理的变化（如力、压力、温度等）转变成弹性元件的变形，以便进行测量。力弹簧用来作为传动系统的能源，或者完成结构力封闭。由于弹性元件的结构简单、价格低廉、工作可靠，所以成为精密机械中应用比较广泛的零件之一。2021/11/74第4页，共54页。第二节弹性元件的基本特性一、弹性元件的基本特性定义：作用在弹性元件上的力、压力或温度等与变形的关系。解析式表示为线图表示2021/11/75第5页，共54页。一、弹性元件的基本特性弹性元件特性的非线性度特性曲线与理想直线的最大偏差和弹性元件的最大变形的百分比。2021/11/76第6页，共54页。一、弹性元件的基本特性弹性元件的刚度当弹性元件具有非线性特性时，作用在弹性元件上的载荷增量与其产生变形增量的比值在变形增量趋于零时的极限，称为～。弹性元件具有线性特性时，刚度等于常数。刚度图解法求得，等于弹性元件特性曲线上过给定点切线倾斜角的余切值。2021/11/77第7页，共54页。一、弹性元件的基本特性线性特性的弹性元件并联使用并联弹性元件系统，其刚度等于每个弹性元件刚度之和。2021/11/78第8页，共54页。一、弹性元件的基本特性线性特性的弹性元件串联使用刚度的倒数称为柔度。串联弹性元件系统，其柔度等于每个弹性元件柔度之和。2021/11/79第9页，共54页。主动层：线膨胀系数高的一层；弹性元件特性的非线性度弹簧极限载荷F3(弹簧材料的屈服极限)－H3－λ3。片簧：用带材或板材制成的各种片状弹簧。游丝的重心位于几何中心上；弹簧极限载荷F3(弹簧材料的屈服极限)－H3－λ3。按其截面形状，可分为：拉伸弹簧的弹簧圈数计算第六节热双金属弹簧游丝截面在力矩作用下的变形二、直片簧的结构和种类25圈与弹簧座接触的支承圈，不参加变形25d(d，弹簧丝直径)二、影响弹性元件特性的因素弹性元件特性解析式例：圆柱螺旋弹簧2021/11/710第10页，共54页。二、影响弹性元件特性的因素（一）几何尺寸参数的影响几何尺寸参数引起弹簧特性误差（以变形量的相对误差表示）可以通过调整的消除2021/11/711第11页，共54页。二、影响弹性元件特性的因素（二）温度的影响温度变化时切变模量的变化温度变化引起特性的相对误差2021/11/712第12页，共54页。二、影响弹性元件特性的因素弹性模量与温度之间的关系减少温度对弹性元件特性的影响方法采用温度系数极小的材料补偿方法2021/11/713第13页，共54页。二、影响弹性元件特性的因素（三）弹性滞后和弹性后效的影响弹性滞后：弹性范围内，加载与去载曲线不重合的现象。弹性后效：载荷改变后，不是立刻完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成的。2021/11/714第14页，共54页。二、影响弹性元件特性的因素弹性滞后和弹性后效的原因其大小与弹性元件内的最大应力，材料的金相组织与化学成分、弹性元件的加工与热处理过程有关。解决方法选取较大的安全系数、合理选定结构和元件的联接方法（减小应力集中）、采用特殊合金等，减小弹性滞后和弹性后效。2021/11/715第15页，共54页。第三节螺旋弹簧一、螺旋弹簧的功能和种类螺旋弹簧：金属线材绕制成空间螺旋线形状的弹性元件功能：将轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩转换为弹簧两端的相对位移；或者相反，将两端的相对位移转换为作用力或力矩。螺旋弹簧簧丝截面：圆形、矩形、方形、菱形、钢丝绳圆柱形螺旋弹簧根据载荷作用方式不同，分三种型式：拉伸弹簧（代号—L型），见图13-6a；压缩弹簧（代号—Y型），见图13-6b；扭转弹簧（代号—N型），见图13-6c。2021/11/716第16页，共54页。一、螺旋弹簧的功能和种类2021/11/717第17页，共54页。二、弹簧材料弹簧材料的性能高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、良好的热处理性能主要弹簧材料的使用性能：表13－1。弹簧材料的选择考虑弹簧的使用条件（载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质）、功用、重要程度。钢有色金属非金属材料－橡胶碳素弹簧钢丝优先选用的直径系列。2021/11/718第18页，共54页。三、圆柱螺旋压缩弹簧（一）特性线特性线：表示弹簧工作中，作用载荷与变形之间的关系，等节距圆柱螺旋压缩弹簧的特性线是一直线。各参数弹簧不受外力－H0自由长度弹簧最小载荷（预压缩力）F1＝（0.1~0.5）Fmax－H1－λ1。弹簧最大载荷Fmax由工作条件决定≤0.8F3－H2－λmax。弹簧极限载荷F3(弹簧材料的屈服极限)－H3－λ3。工作行程λh＝λmax－λ1＝H1－H22021/11/719第19页，共54页。（二）强度计算压缩弹簧的受力γ≈5-9°起主要作用的外力转矩T切向力FQ2021/11/720第20页，共54页。（二）强度计算压缩弹簧中簧丝受力情况：如同一个受转矩T和切向力FQ作用的曲梁簧丝截面上相应产生扭转切应力和切应力簧丝靠近弹簧轴线的内侧应力比外测大旋绕比C（弹簧指数）：弹簧中径D2与簧丝直径d的比C＝D2/dC越小，弹簧丝内外侧应力差越悬殊，材料利用率越低；C过大，应力过小，弹簧卷制后有明显回弹，加工误差大。通常C=4~16，表13－22021/11/721第21页，共54页。（二）强度计算压缩弹簧最大切应力圆弹簧丝直径许用切应力随弹簧丝直径d的不同而不同，必须采用试算的方法，才能得到d。2021/11/722第22页，共54页。（三）刚度计算弹簧特性2021/11/723第23页，共54页。（三）刚度计算弹簧有效圈数n<15，取n为0.5圈的倍数；n>15，取n为整圈数。弹簧有效圈数最少2圈弹簧刚度线绕比C值的大小对弹簧刚度影响很大。其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧愈硬；反之，愈软。2021/11/724第24页，共54页。（四）稳定性计算压缩弹簧的失稳压缩弹簧的高径比（自由高度与中径之比）b=H0/D2b较大的情况下，当载荷达到一定值时，弹簧会突然发生侧向弯曲，使弹簧刚度突然降低，这种现象称为压缩弹簧的失稳。弹簧正常工作所不允许的。2021/11/725第25页，共54页。（四）稳定性计算弹簧稳定性与两端支承的关系保证弹簧不失稳的条件弹簧两端固定时b<5.3；弹簧一端固定，另一端回转时b<3.7；弹簧两端回转时b<2.62021/11/726第26页，共54页。（四）稳定性计算稳定性计算高径比不满足要求时，如果Fmax>Fc，应重选参数，改变b值。改变结构：设置导杆或导套。2021/11/727第27页，共54页。（五）结构尺寸的计算死圈：压缩弹簧两端0.75~1.25圈与弹簧座接触的支承圈，不参加变形并紧死圈端部形式受变载荷的重要重合，采用并紧磨平端。磨平长度不小于圆周长度的1/4，末端厚度约＝0.25d(d，弹簧丝直径)间隙δ≥0.1d，以免各圈彼此接触结构尺寸计算：表13－3。2021/11/728第28页，共54页。四、圆柱螺旋拉伸弹簧结构分类无初拉力特性曲线－图13－14b有初拉力特性曲线－图13－14c初拉力值：d<5mm，F0≈F3/3;d>5mm,F0≈F3/42021/11/729第29页，共54页。四、圆柱螺旋拉伸弹簧拉伸弹簧簧丝直径的计算与压缩弹簧相同拉伸弹簧的弹簧圈数计算无初拉力F0＝0拉伸弹簧端部挂钩：安装、加载结构尺寸：表13－32021/11/730第30页，共54页。第二节弹性元件的基本特性游丝是测量链的组成部分。25d(d，弹簧丝直径)游丝截面在力矩作用下的变形扭转弹簧（代号—N型），见图13-6c。转矩T’=Tsinγ，可忽略。测量弹性元件用来把某些物理的变化（如力、压力、温度等）转变成弹性元件的变形，以便进行测量。减少温度对弹性元件特性的影响方法原始数据：最大（小）游丝力矩M2（M1）和最大游丝转角φ2（φ1）、游丝用途和安装空间。将轴线方向的力或垂直于轴线平面内的力矩转换为弹簧两端的相对位移；考虑弹簧的使用条件（载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质）、功用、重要程度。可以通过调整的方法消除一、游丝的种类、要求和材料转矩T’=Tsinγ，可忽略。a不宜过小，通常k≥3五、圆柱螺旋扭转弹簧结构和特性线转矩T～变形的扭转角φ弹簧丝受力分析弯矩Mb＝Tcosγ转矩T’=Tsinγ，可忽略。扭转弹簧应按受弯矩的曲梁来计算2021/11/731第31页，共54页。五、圆柱螺旋扭转弹簧扭转弹簧在任一面上的应力分布情况与压缩弹簧完全相似，只是应力为弯曲应力。最大弯曲应力2021/11/732第32页，共54页。五、圆柱螺旋扭转弹簧转矩作用的扭转变形弹簧圈数2021/11/733第33页，共54页。第四节游丝一、游丝的种类、要求和材料用于精密机械中的游丝可分为以下两种测量游丝产生反作用力矩、振动系统恢复力矩的游丝。游丝是测量链的组成部分。有较高特性要求。接触游丝产生力矩使传动机构中各零件相互保持接触的游丝，对特性要求不严。2021/11/734第34页，共54页。一、游丝的种类、要求和材料游丝能满足的要求：能实现给定的弹性特性；滞后和后效现象较小；特性不随温度变化而改变；具有好的防磁性和抗蚀性；游丝的重心位于几何中心上；游丝的圈间距离相等，在工作过程中没有碰圈现象；若兼作导电元件，游丝材料应具有较小的电阻系数。按照游丝在机构中的作用、工作条件决定对游丝的要求2021/11/735第35页，共54页。一、游丝的种类、要求和材料合理设计游丝结构、尺寸参数、采用完善的制造工艺及正确地选用材料。材料锡磷青铜QSn4-3恒弹性合金Ni42CrTi铍青铜2021/11/736第36页，共54页。二、游丝的结构游丝的外端固定：锥销楔紧游丝的内端固定：冲榫的方法游丝导电：钎焊2021/11/737第37页，共54页。三、游丝的特性游丝截面在力矩作用下的变形2021/11/738第38页，共54页。四、游丝的设计机械仪表用游丝标准GB12159-90适用于机械仪表中产生反作用力矩及消除传动机构空回的游丝。根据给定的条件直接选用。非标准游丝的设计与计算原始数据：最大（小）游丝力矩M2（M1）和最大游丝转角φ2（φ1）、游丝用途和安装空间。确定游丝参数：宽度b、厚度h、长度L（圈数n）结构参数。2021/11/739第39页，共54页。四、游丝的设计按结构条件初定游丝长度L2021/11/740第40页，共54页。四、游丝的设计根据特性条件确定游丝宽度b和厚度h，h、b圆整为标准值。2021/11/741第41页，共54页。四、游丝的设计根据强度条件校验最大应力游丝的强度条件为游丝材料的力学性能和安全系数：表13－4。2021/11/742第42页，共54页。四、游丝的设计确定游丝长度L，圈数n和圈间距离a在前面的计算中,游丝的厚度h和宽度b均已圆整,故需按特性要求确定游丝长度L和圈数n即2021/11/743第43页，共54页。四、游丝的设计游丝个数ka不宜过小，通常k≥32021/11/744第44页，共54页。第五节片簧片簧：用带材或板材制成的各种片状弹簧。一、片簧的分类和用途分类片簧按其外形，可分为：直片簧（图13-21a）；弯片簧（13-21b、c)。按其截面形状，可分为：等截面片簧（图13-22）；变截面片簧（图13-23）。按其安装情况，又可分为：有初应力片簧（图13-24a）；无初应力片簧（图13-24b)。2021/11/745第45页，共54页。一、片簧的分类和用途片簧的用途用于弹簧工作行程和作用力均不大的情况下安放片簧空间较小，而又需增大片簧的工作长度时，可采用弯片簧。2021/11/746第46页，共54页。二、直片簧的结构和种类直片簧外形和固定处结构螺钉固定的方法，2个螺钉防片簧转动1个螺钉且防片簧转动2021/11/747第47页，共54页。二、直片簧的结构和种类分类按截面形状分等截面变截面2021/11/748第48页，共54页。二、直片簧的结构和种类按安装情况分有初应力：受单向载荷作用无初应力2021/11/749第49页，共54页。第六节热双金属弹簧一、热双金属具有不同线膨胀系数的薄金属片钎焊而成。主动层：线膨胀系数高的一层；从动层：线膨胀系数低的一层。温度变化转变为弹簧的变形；位移受限时，温度变化转变为力二、用途温度测量元件温度控制元件温度补偿元件2021/11/750第50页，共54页。三、双金属弹簧的材料应满足的要求主、被动层两种材料的线膨胀系数之差应尽可能大；两种材料的弹性模量应接近，以扩大双金属弹簧的工作温度范围；要有良好的机械性能，便于加工；焊接容易。常用材料：主动层：黄铜、康铜、蒙铜和镍钼合金被动层：铁镍合金－不变钢2021/11/751第51页，共54页。四、热双金属弹簧的变形和温度变化之间的关系和计算公式2021/11/752第52页，共54页。四、热双金属弹簧的变形和温度变化之间的关系和计算公式（13－29）和（13－30）可以求得任何形状的双金属弹簧在温度变化时的变形。例：直片式双金属弹簧，温度变化时，自由端的位移求法：2021/11/753第53页，共54页。第七节其它弹性元件简介弹簧管波纹管膜片、膜盒2021/11/754第54页，共54页。