机械设计12_弹簧
机械设计——弹簧机构设计
“弹簧”被组入到各种机构中，发挥出弹簧各自的作用。
但相对于显著的要素部件来说，它担当的是辅助的角色。
但是，它与可靠性、高速运动性能、小型轻量化和操作性等之间有很深的关系。
即使在今后的技术进步中，弹簧也是一种重要的LCA部件。
弹簧的种类和特点「弹簧」按照形状分类如下。
【表1】按照形状分类的弹簧种类施加在弹簧上的负载：P和挠度（形变量）：δ成比例（线性）关系，根据「胡克定律」。
比例常数k称为「弹簧常数」。
【图1】显示了负载和形变之间的关系。
在这个图中，斜度表示弹簧常数：k。
利用这一特性，我们设计和制造了测量物体重量的“弹簧秤”、需要一定力量动作的安全阀用弹簧等。
（2）具有不同负载特性的弹簧弹簧的负载-形变关系除了上述（1）所述的线性特性以外，还有非线性的弹簧。
以压缩螺旋弹簧为例，其中负载和形变为非线性特性的有以下3种。
非线性压缩螺旋弹簧中[1]螺旋直径，[2]间距和[3]线径中的至少一个以上的设计参数，通过变换螺旋弹簧的位置，负载的增加，来实现线条或线条与座位表面相互接触。
・在拉伸弹簧中，即使在无负载的状态下，弹簧圈之间相互作用的力：可以形成初张力。
・这种初张力在由密着状态形成时，通过弹簧线在螺旋方向紧密缠绕扭转而获得的。
・在通过冷成型紧密卷绕加工形成弹簧的情况下，尽管在一定程度上产生了初张力，但是主动形成初始张力的弹簧被称为有初始张力的弹簧。
・没有初张力的弹簧和有初张力的弹簧的负载-形变量特性如下所示。
（【图1】）・【图1】的拉伸弹簧负载-形变量关系式用【公式A】来表示。
有初张力的弹簧拉伸弹簧的负载-形变量关系式用【公式B】来表示。
【公式A】负载P（N）=弹簧常量k（N/mm）x形变量δ（mm）【公式B】荷重P（N）=初张力Pi（N）由下述公式算出。
+弹簧常量k（N/mm）x形变量δ（mm）・初张力Pi（3）拉伸弹簧的各种形状拉伸螺旋弹簧的形状在弹簧特性面上有时不具有非线性，大致有圆筒形和双重拉伸两种。
弹簧设计步骤详解
弹簧设计步骤详解弹簧设计是机械设计中的一个非常重要的部分，弹簧在工程中有广泛的应用，如汽车悬挂系统、电器设备、工具、家具等。
弹簧设计的目的是根据所需的力学性能以及工作环境条件来选择适合的材料、形状和尺寸，并确保其具有合适的弹性性能和寿命。
下面是弹簧设计的详细步骤：1.确定设计要求：根据应用场景和使用要求，确定所需的弹簧的负载条件、工作温度、运动方式等。
这些要求将直接影响到弹簧的材料和几何参数的选择。
2.选择材料：根据所需的弹簧性能指标，如弹性模量、屈服强度、疲劳寿命等，选择合适的弹簧材料。
常用的弹簧材料有钢丝、高碳钢、不锈钢、钛合金等。
不同的材料有不同的力学性能和耐腐蚀性，需要根据具体情况进行选择。
3.计算负载条件：根据设计要求和所选材料，计算所需的弹簧负载条件，包括最大负载、工作位移范围、应力、挠度等。
这些参数将决定弹簧的尺寸和形状。
4.选择弹簧类型：根据负载条件和运动方式，选择合适的弹簧类型，包括压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧等。
不同类型的弹簧适用于不同的负载和运动方式，需要根据实际情况进行选择。
5.确定弹簧形状：根据所选的弹簧类型和负载条件，确定弹簧的几何形状和尺寸。
弹簧的形状直接影响到其弹性性能和负载能力，需要根据实际需要进行选择，如圆柱形弹簧、圆锥形弹簧、卷曲弹簧等。
6.估计弹簧寿命：通过应力分析和疲劳计算，估计弹簧的寿命。
弹簧在工作中可能会受到重复载荷的作用，而导致疲劳破坏，需要通过合适的疲劳分析方法来评估寿命。
7.弹簧制造工艺：根据所选的弹簧形状和尺寸，确定适合的制造工艺，包括卷制、切割、热处理、表面处理等。
弹簧的制造工艺对于其质量和性能有直接影响，需要进行合理的选择。
8.弹簧的安装和使用：在设计过程中考虑弹簧的安装和使用条件，如安装方式、运动方式、周围环境等。
这些因素将影响弹簧的实际工作性能和寿命，需要充分考虑。
以上是弹簧设计的详细步骤，这些步骤涵盖了弹簧设计中的关键要点，通过合理的设计和选择，可以确保弹簧在工程中具有良好的弹性性能和寿命，满足工程要求。
机械设计中的弹簧设计
机械设计中的弹簧设计机械设计中，弹簧是一种常见而重要的元件，它具有存储和释放能量的特性，广泛应用于各种机械系统中。
弹簧设计的合理与否直接影响到机械系统的性能和可靠性。
本文将介绍机械设计中的弹簧设计原理和方法。
一、弹簧的作用和分类弹簧作为机械系统中的重要部件，主要用于以下几个方面：1. 传递和储存能量：弹簧可以通过外力使其变形，并在去除外力后恢复原状，从而实现储存和释放能量的功能。
2. 平衡力和控制力：弹簧可以在机械系统中起到平衡或控制力的作用，使系统保持稳定或按照设计需求进行运动。
根据弹簧的形状和用途，可以将其分为以下几大类：1. 压缩弹簧：压缩弹簧是一种常见的弹簧类型，其通过受到压缩力而变形，并在去除压缩力后恢复原状。
压缩弹簧广泛应用于螺旋弹簧减震器、销轴弹簧等设备中。
2. 张力弹簧：张力弹簧是另一种常见的弹簧类型，其通过受到拉伸力而变形，并在去除拉伸力后恢复原状。
张力弹簧常被应用于张力计量装置、拉力试验机等设备中。
3. 扭转弹簧：扭转弹簧是指通过扭转力矩使其变形，具有储存和释放扭转能量的特点。
扭转弹簧广泛应用于手摇发电机、时钟发条等装置中。
二、弹簧设计的基本原理在机械设计中，弹簧设计的基本原理可概括为以下几点：1. 弹簧刚度的计算：刚度是衡量弹簧硬度和弹性的重要指标，可通过弹簧的几何参数和材料特性来计算。
刚度的大小直接影响到弹簧的变形量和恢复力。
2. 最大应力的考虑：弹簧在工作过程中需要承受一定的应力，为了保证弹簧的工作寿命和可靠性，需要考虑弹簧的最大应力是否超过材料的许用应力。
3. 自由长度的确定：弹簧的自由长度是指弹簧在不受外力约束时的长度。
在弹簧设计中，需要根据实际需求确定弹簧的自由长度，以保证其在工作过程中具有所需的力学特性。
4. 装配与安装方式的选择：弹簧在实际应用中通常需要与其他零部件进行装配和安装。
因此，在弹簧设计过程中，需要考虑适合的装配方式和安装方式，以保证弹簧在工作时能够正常运动并满足设计要求。
机械设计手册弹簧设计
机械设计手册弹簧设计
弹簧设计是机械设计手册中的重要章节之一。
在机械工程中，弹簧起着接收和
释放机械能的作用，其设计必须满足一些关键要求。
首先，弹簧设计时需要考虑载荷的大小和类型。
弹簧的负载可以是静态的或动
态的，因此设计师必须确定所需的载荷范围并选择适当的弹簧类型。
常见的弹簧类型包括拉伸弹簧、扭转弹簧和压缩弹簧，具体使用哪种类型要根据具体的应用情况决定。
其次，弹簧设计中需要考虑弹簧的材料选择。
弹簧常用的材料包括高碳钢、不
锈钢和合金钢等。
材料的选择必须考虑弹性模量、强度、耐腐蚀性和疲劳寿命等因素。
此外，材料的选择还会受到成本和生产可行性的影响。
弹簧设计还需要考虑弹簧的几何参数，包括线径、线圈数、自由长度和硬度等。
这些参数对弹簧的刚度和工作范围都有影响。
线径的选择通常需要根据弹簧的工作负荷和可用空间来确定。
线径越大，弹簧的刚度越大；线圈数的选择也会影响弹簧的刚度和长度。
设计师需要在满足设计要求的前提下，平衡刚度和长度之间的关系。
此外，弹簧设计还需要考虑弹簧的预紧缩量和工作限制。
预紧缩量是指弹簧在
非工作状态下的初始压缩或拉伸量。
工作限制是指弹簧在工作状态下的最大压缩或拉伸量。
预紧缩量和工作限制的选择需要根据设计要求和安全因素进行合理确定。
总之，在机械设计手册的弹簧设计章节中，设计师需要综合考虑载荷、材料、
几何参数、预紧缩量和工作限制等因素，以确保弹簧设计满足要求的功能和安全性。
只有在充分理解弹簧设计原理和遵循相关规范的前提下，才能设计出满足工程需求的可靠弹簧。
机械设计-弹簧
机械设计-弹簧1. 弹簧的基本概念和用途弹簧是一种具有弹性的物体，常用于机械设计中的各种装置和系统中。
它的主要作用是存储和释放能量，为机械装置提供可调节的力和挠度。
在许多机械装置中，弹簧能够起到平衡力、缓冲冲击、保持位置、传递力等重要作用。
2. 弹簧的分类弹簧可以按照其形状、材料和用途进行分类。
2.1 形状分类常见的弹簧形状有压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧和扁平弹簧等。
这些弹簧根据其形状和功能的需要，分别应用于不同的机械装置中。
•压缩弹簧：承受压缩载荷，将压力转化为弹性变形。
•拉伸弹簧：承受拉伸载荷，将拉力转化为弹性变形。
•扭转弹簧：承受扭转载荷，将扭矩转化为弹性变形。
•扁平弹簧：形状较宽而薄，在机械装置中提供弹性支撑或稳定功能。
2.2 材料分类弹簧可以根据其材料的特性进行分类，常见的弹簧材料包括钢、合金和橡胶等。
每种材料都有其特定的弹性模量、延展性和耐腐蚀性能，适用于不同的弹簧设计和使用环境。
•钢弹簧：使用普通碳钢、合金钢等材料制成，具有高弹性模量和较高加载能力。
•合金弹簧：使用合金材料制成，具有良好的耐腐蚀性和耐高温性能，并可以调整弹性模量和强度等特性。
•橡胶弹簧：由橡胶材料制成，具有较好的减震和隔振效果，广泛应用于汽车悬架系统等领域。
2.3 用途分类弹簧根据其在机械装置中的使用目的和功能需求，可以进一步进行用途分类。
•平衡弹簧：用于平衡机械装置中的负载，使装置处于平衡状态。
•缓冲弹簧：用于吸收和分散冲击和震动能量，保护装置和零部件免受损坏。
•传感器弹簧：用于测量和传递力量或位移，从而实现精确的控制和调节。
•锁紧弹簧：用于保持部件之间的固定位置，防止因振动和松动而引起的误差。
3. 弹簧的设计和计算弹簧设计和计算是机械设计过程中的重要一环，它涉及到弹簧的形状、尺寸、材料选用和弹性变形等方面的考虑。
以下是弹簧设计和计算的主要内容。
3.1 弹簧刚度与变形弹簧的刚度是指单位变形下所受的力的大小，反映了弹簧的硬度和弹性。
机械设计的弹性元件与弹簧设计
机械设计的弹性元件与弹簧设计机械设计中，弹性元件和弹簧在各种机械系统中起到非常重要的作用。
它们可以提供力量传递和控制、减震和缓冲、保持恒定的接触和间隙等功能。
本文将探讨机械设计中的弹性元件和弹簧设计的相关知识。
一、弹性元件的引言弹性元件是一种能够弯曲、膨胀或扭转以储存和释放能量的元件。
它们广泛应用于各种机械系统中，如汽车悬挂系统、空气压缩机、钢琴等。
弹性元件的设计需要考虑载荷、材料和形状等因素。
二、弹簧的分类弹簧是一种常见的弹性元件，根据其形状和应用可以分为以下几种类型：1. 压缩弹簧：压缩弹簧是最简单的一种形式，其主要作用是通过压缩变形来存储和释放能量。
它们常见于减震器、按钮开关和压力控制装置等。
2. 张力弹簧：张力弹簧是指在拉伸状态下工作的弹簧，常用于吊床、车门和重型机械等。
3. 扭转弹簧：扭转弹簧是通过扭转变形来存储和释放能量的。
它们常见于时钟、玩具和汽车悬挂系统等。
4. 扭簧：扭簧是一种特殊形式的弹簧，常用于旋转机械和复杂运动系统中。
三、弹簧的设计考虑因素在设计弹簧时，需要考虑以下几个因素：1. 载荷：弹簧必须能够承受并适应所需的载荷。
这需要准确计算所需要的刚度和最大变形量。
2. 材料选择：弹簧的材料选择直接影响其性能和寿命。
常用的材料包括钢、不锈钢、合金钢等，选择合适的材料可以提高弹簧的刚度和耐久性。
3. 形状设计：弹簧的形状设计也是关键因素之一。
合适的形状能够提供所需的力学特性，如弹性系数和变形能力。
四、弹性元件的应用案例弹性元件广泛应用于各种机械系统中。
以下是其中一些应用案例：1. 汽车悬挂系统：汽车悬挂系统中使用弹性元件来减震和缓冲车辆运动，提供平稳的驾驶体验。
2. 空气压缩机：空气压缩机中的弹簧用于控制压力和储存能量，确保稳定的压缩和释放过程。
3. 钢琴：钢琴中使用弹簧控制琴键和琴弦之间的连接，使演奏者能够精确控制音符和音量。
五、结论弹性元件和弹簧在机械设计中扮演着重要的角色，它们提供了力量传递、减震、缓冲和保持恒定接触等功能。
工业设计概论 弹簧
工业设计概论弹簧
工业设计概论：弹簧
弹簧作为一种常见的机械零件，在工业设计中扮演着重要的角色。
它的设计不仅关乎产品的性能和功能，还涉及到产品的可靠性和使用寿命。
在工业设计中，弹簧的设计需要考虑多个因素，如材料选择、弹簧形状、弹簧尺寸等。
材料选择是弹簧设计中的关键因素之一。
弹簧的材料通常包括钢、不锈钢、铜等金属材料。
不同的材料具有不同的弹性模量和抗拉强度，因此在选择材料时需要根据弹簧的工作环境和要求进行合理的选择。
例如，对于需要抗腐蚀性能的弹簧，可以选择不锈钢材料；而对于需要高弹性的弹簧，则可以选择弹性较好的钢材料。
弹簧的形状也对其性能产生重要影响。
弹簧的形状多样，常见的包括螺旋弹簧、压缩弹簧、拉伸弹簧等。
不同形状的弹簧适用于不同的工作环境和载荷要求。
例如，螺旋弹簧适用于需要承受扭转力的场合，而压缩弹簧适用于需要承受压缩力的场合。
弹簧尺寸的设计也需要精确把握。
弹簧的尺寸包括直径、长度、圈数等参数，这些参数直接影响弹簧的工作性能和稳定性。
在设计弹簧尺寸时，需要考虑到弹簧的工作环境、承受的载荷以及使用频次等因素，以确保弹簧具有良好的弹性和稳定性。
弹簧作为一种重要的机械零件，在工业设计中具有不可替代的作用。
设计一个合理的弹簧不仅需要考虑材料选择、弹簧形状和尺寸等因素，还需要综合考虑产品的实际使用需求，以确保产品具有良好的性能和可靠性。
只有在工业设计中充分重视弹簧的设计，才能使产品更加出色和可靠。
机械设计课件-弹簧
特性曲線：呈非線性，變形取決於比值h/t變化。
重要特性：當h/t≈1.5時，中間一段接近於水準。
D1 F
F
h t =2.75
h
h t =0.5
t D
h t =1.5
浙江大學專用
簧片變平點
O
1
2
3
4 y /t
碟形彈簧組合形式 對合式組合彈簧----
變形量增加，承載力不變。
摩擦消耗的能量-----陰影面積
缺點： 用作高精度控制彈簧時，對材料和製造工藝（加工精度、熱
處理）要求較嚴，製造困難。
浙江大學專用
浙江大學專用
失穩
加裝導向杆 加裝導向套
3. 拉伸彈簧的結構特點
a) 各圈相互並緊d =0；
b) 製作完成後具有初拉力； c) 端部做有拉鉤，以便安裝和加載。
拉鉤形式：半圓鉤環型、圓鉤環型、 轉鉤、可調轉鉤。
改進後的結構
拉伸彈簧的結構尺寸計算與壓縮彈簧相同。
浙江大學專用
二、彈簧設計計算步驟
有足夠的強度 設計要求： 符合載荷---變形曲線的要求（剛度要求）
↑ → 吸振能力↑ F
加載
卸載
疊合式組合彈簧---- 在變形量不變時，承載力大大增加 。 摩擦阻尼大，特別適用於緩衝和吸振 複合式彈簧： 可同時增加變形量和承載 能力
浙江大學專用
優點： 變形量小、承載能力大、在受載方向空間尺寸小。
用途： 常用作重型機械、飛機等的強力緩衝彈簧，以及在離合器、
減壓閥、密封圈、自動控制機構中獲得了廣泛地應用。
G( d
/
4
2)ds / 32)
8FD22ds
G d 4
鋼：G=8×104 Mpa, 青銅：G=F4×104 Mpa
机械设计手册弹簧设计
机械设计手册弹簧设计
摘要：
1.弹簧设计的基本概念与分类
2.弹簧设计的主要参数与公式
3.弹簧设计的一般流程与方法
4.弹簧设计的应用实例与分析
正文：
一、弹簧设计的基本概念与分类
弹簧设计是机械设计手册中的一个重要组成部分，主要涉及对弹簧的类型、结构、材料等方面的设计。
弹簧根据其形状和功能可以分为多种类型，如螺旋弹簧、圆柱弹簧、平板弹簧等。
每种类型的弹簧都有其独特的应用场景和设计要求。
二、弹簧设计的主要参数与公式
弹簧设计的主要参数包括线径、弹力、自由长度、工作长度等。
在设计过程中，需要根据这些参数选择合适的弹簧材料和结构。
弹簧设计中常用的公式包括弹簧刚度公式、弹簧变形量公式等，通过这些公式可以计算出弹簧在受力情况下的性能参数。
三、弹簧设计的一般流程与方法
弹簧设计的一般流程包括需求分析、参数计算、结构设计、材料选择、性能分析等。
在设计过程中，需要根据实际需求分析弹簧的工作环境、受力情况等，然后根据需求选择合适的弹簧类型和结构。
在材料选择方面，需要根据弹
簧的性能要求选择合适的材料，并进行相应的性能分析。
四、弹簧设计的应用实例与分析
弹簧设计在各种机械设备中都有广泛应用，如在汽车悬挂系统中，弹簧用于缓冲车身与地面之间的冲击；在电子设备中，弹簧用于固定和保护元件等。
通过对这些应用实例的分析，可以更好地了解弹簧设计的实际应用和性能要求。
总之，弹簧设计是机械设计手册中一个重要的领域，需要综合考虑弹簧的类型、结构、材料等因素，以实现良好的性能和应用效果。
机械设计中的弹簧设计
机械设计中的弹簧设计在机械设计中，弹簧是一种常用的零件，应用广泛且具有重要的功能。
弹簧设计的合理性直接影响到机械设备的性能和寿命。
本文将以“机械设计中的弹簧设计”为题，探讨弹簧的设计原理和常见的设计方法。
一、弹簧设计的基本原理弹簧是一种能储存和释放弹性势能的弹性零件，广泛应用于各种机械装置中。
弹簧的设计原理主要包括以下几个方面：1. 弹簧的负载-变形关系：弹簧在受到外力作用时，会发生变形以吸收能量，当外力减小或消失时，弹簧会恢复原状并释放能量。
这种负载-变形关系可以通过弹簧的刚度来描述，刚度越大，变形对应的力也越大。
2. 弹簧的材料选择：弹簧一般由弹性材料制成，常见的弹簧材料包括钢、不锈钢、合金钢等。
材料的选择需要考虑弹性模量、耐疲劳性、耐腐蚀性等因素。
3. 弹簧的强度和耐久性：弹簧在工作过程中会受到不同程度的载荷，因此需要设计足够的强度以防止弹簧在工作过程中出现破坏。
同时，弹簧的耐久性也是设计的重要考虑因素之一。
4. 弹簧的稳定性：在设计弹簧时，需要考虑弹簧是否具有稳定性。
稳定性主要涉及弹簧在变形过程中是否会出现失稳和干涉等问题。
二、弹簧设计的方法根据不同的应用需求，弹簧的设计方法也各不相同。
下面将介绍几种常见的弹簧设计方法：1. 针对静态载荷设计的方法：对于受到静态载荷的弹簧设计，可以使用静态平衡方程求解。
通过平衡受力和变形的关系，确定弹簧的刚度、尺寸和材料。
2. 针对动态载荷设计的方法：对于受到动态载荷的弹簧设计，需要考虑弹簧在振动过程中的动态特性，如共振频率和振幅。
可以使用模态分析等方法进行设计，确保弹簧在动态载荷下的正常工作。
3. 基于材料强度设计的方法：弹簧在工作过程中会受到一定的应力和变形，需要选择合适的材料以满足设计要求。
可以通过材料力学性能的计算和实验来确定材料的强度，并根据受力状态进行合理的选择。
4. 弹簧的最优化设计方法：在弹簧设计中，可以使用最优化方法寻求最优设计方案。
通过制定合适的目标函数和约束条件，使用数值优化算法进行求解，得到最优的弹簧设计方案。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
m ax K c K s
8ห้องสมุดไป่ตู้D
d 3
KB
8FD
d 3
Kc
KB
2C (4C 2) (4C 3)(2C 1)
4C 2 4C 3
KB: Bergsträ sser factor Wahl Factor
m ax K c K s
8 FD
d 3
KW
8FD
Esc
Tension Spring
The cross section of a spring wire is exposed to a shear force and a torsion moment:
T FD 2
12 - 5
Stress in Helical Springs
Internal forces Shear stress w/o Considering Curvature
2u x
2
Equation of Motion
W 2u kgl2 t 2
x, u
W: k: l: g:
Weight of spring Spring rate Length of spring Gravity acceleration
Natural Frequency
• Spring ends are in contact with plates
d 3
Kc
KW
Esc
KW: Wahl factor
2C 4C 1 0.615 2C 1 4C 4 C 4C 1 0.615 4C 4 C
Significance
12 - 7
Important for fatigue; can be neglected for static loading
Sut A / d m (A and m are constants: Shigley Table 10-4 below)
3 3
Esc
Relative 8FD N Diameter 1 8FD cost of A N Diameter A ASTM Exponent y ( 1 ) 4m Materials m in No. in MPa· mmm wire d 4G 2C 2 ksi· d G mm 0.004–0.256 0.1– 6.5 0.145 201 2211 2.6 Music wire A228 0.020–0.500 0.5–12.7 0.187 147 1855 1.3 Oil-tempered wire A229 0.028–0.500 0.7–12.7 0.190 140 1783 1.0 Hard-drawn A227 0.032–0.437 0.8–11.1 0.168 169 2005 3.1 Chrome-vanadium A232 0.063–0.375 1.6– 9.5 0.108 202 1974 4.0 Chrome-silicon A401 0.013–0.100 0.3– 2.5 0.146 169 1867 7.6–11 302 Stainless wire A313 0.100–0.200 2.5– 5.0 0.263 128 2065 0.200–0.400 5.0–10.0 0.478 90 2911 0.004–0.022 0.1– 0.6 0 145 1000 8.0 Phosphor-bronze B159 0.022–0.075 0.6– 2.0 0.028 121 913 0.075–0.300 2.0– 7.5 0.064 110 932 12 - 11
Shear force, F and T orque T FD / 2
m ax
Tr F J A
(Assume uniform under shear)
FD d 4 d 2 d T , J , A , r 2 32 4 2
m ax
8FD
d 3
4F
d 2
C D/d
L DN, Lt DNt
12 - 3
Extension and Torsional Springs Terminology
Extension Springs
(GAP)
Wire Diameter, d
HOOK LENGTH FREE LENGTH
LOOP LENGTH
Torsional Springs
12 - 6
Stress in Helical Springs: Curvature Effect
Nom Stress Curvature Effect
Tr J
max K s 8FD /(d 3 )
Tr J
Ks (2C 1) / 2C
Tr J
Tr J
• The wire curvature increases the stress on the inside of the spring. This effect is characterized by a curvature correction factor, Kc Bergsträ sser Factor
Spring Materials: Ultimate Strength
Materials • Carbon steel, alloy steel, corrosion resisting steel, as well as nonferrous metals, etc. (Shigley Table10-3) Residual stress will exist after winding. Residual stress can be relived by a mild thermal treatment. Ultimate Strength • The ultimate strength of spring materials varies with wire size:
School of Engineering Mechanical Engineering
TOPIC
ME 461
12
© Tulong Zhu, All rights reserved.
Design
Mechanical Springs
Types of Helical (Coil) Springs
Extension Springs
3 4
(1
1 2C
2
)
8FD3 N d 4G
Esc
Spring rate, k k = F/y
12 - 9
k
Stiffness of a spring
Critical Frequency of Helical Springs
Significance A natural frequency close to the excitation frequency will result in RESONANCE !!!
Do Di
p L0
• • • • • • •
D i: Do: D: C: d: p: L0 :
• Ls:
• N: • Nt: • L: • L t:
Esc
Inside diameter Outside diameter Mean coil diameter Spring Index: D/d Wire diameter Pitch Free length: Overall length of a spring which is not under load Solid length: Length of a compression spring when deflected under sufficient load to bring all adjacent coils into contact. Number of active coils (coils which are free to deflect under load) Total number of coils Active wire length Total wire length
KB and KW
2.2 2 1.8
KW , KB
KB KB KW KW
Comparison Between K W and K B
1.6 1.4 1.2 1
Esc
0
12 - 8
5
C
10
15
Deflection of Helical Springs
Strain Energy
U UT U F T 2L F 2L 2GJ 2GA
Hard-drawn A227
60-70
45-55
Oil-tempered A239 Valve spring A230 Chrome-vanadium A231 A232 Chrome-silicon A401 Stainless wire A313 Stainless wire 17-7PH Stainless wire 414 Stainless wire 420 Stainless wire 431 Phosphor-bronze B159 Beryllium B197
m ax K s
8 FD
d 3
Ks
2C 1 2C
Ks: shear-stress correction factor
This result is derived based on the wire being straight.
Esc
Need correction for curvature.
FD d 4 d 2 T , J , A , L πDN 2 32 4