弹性元件分类以及刚度特性

定义:

弹性元件是利用材料的弹性特性来完成各种功能的元件,称为弹性元件。弹性元件也可泛称弹簧。弹性元件能够完成变换、隔离、密封、补偿、储能和连接等各种不同的功能。由于它结构简单,制造容易,价格低廉,种类繁多,故应用极为广泛。机器、电气元件、许多仪器仪表和生活用具都要应用弹性元件巧妙地完成其重要的功能。在一些仪器仪表中,它是主要的基础元件之一,特别是以它作为敏感元件时,其质量直接影响仪器仪表的可靠性和工作精度。各种弹性元件利用各自的结构特点、不同的制造材料和变形来完成不同的功能。

分类:

(1)按照受力变形可分为:1.拉伸弹簧2.压缩弹簧3.扭转弹簧4.弯曲弹簧.

(2)按照弹簧几何形状可分为:1.螺旋弹簧2.片簧3.蜗卷弹簧(游丝与发条)4.碟形弹簧5.环形弹簧

(3)电气开关和仪器仪表中使用的有热敏双金属片簧、膜片、膜盒、弹簧管、波纹管、张丝、吊丝等。

用途:

弹性元件的功能:1.变换2.隔离3.密封4.补偿5.储能6.

连接弹性元件的功用:1.缓冲减振2.控制运动3.储存能量4.测量5.导向、支承元件、调整零点、压紧及定位。

弹性元件的特性:

1.使用特性

弹性元件在工作中具有两种基本效应:弹性效应和非弹性效应。所谓弹性效应,是指弹性元件的变形仅仅是由于受载荷的影响所表现出来的性质,其具体参数为体现载荷和变形的刚度和灵敏度;而非弹性效应是指弹性元件的变形受其他因素(如时间、温度、材料性质等)的影响所表现出来的性质,如弹性滞后、弹性后效和松弛等;温度变化能使弹性元件的弹性模量和几何尺寸产生变化。

弹性元件在工作中体现的弹性效应称为使用特性;非弹性效应则使弹性元件产生工作误差,称为弹性误差。弹性误差影响工作精度和工作可靠性,是力求限制的有害性质

2.弹性特性:弹性特性曲线可分为直线型、渐增型、渐减型、混合型

3.刚度:弹性元件产生单位位移所需要的载荷

4.灵敏度(S):弹性元件承受单位载荷所产生的位移

弹性元件刚度特性的研究:

刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料弹性变形难易程度的一个象征。材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。在弹性范围内,刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数,即引起单位位移所需的力。它的倒数称为柔度,即单位力引起的位移,刚度可分为静刚度和动刚度。刚度包括:拉压刚度、轴力比轴向线应变、剪切刚度、剪切力比剪切应变、扭转刚度、扭矩比扭应变、弯曲刚度。

刚度作为材料在受力时抵抗弹性变形的一种能力,是大部分弹性元件需要去测量分析的重要属性。而对刚度分析的测试方法有很多种,文献“钢板弹簧刚度测试方法比较分析”中对弹性元件的多种测试方法进行了一系列的对比与评价。通过测得载荷与形变的关系特性曲线,对其特性曲线内的部分区域进行取值。

1.刚度的测试方法

1)四点刚度平均值:以满载负荷和两个载荷点与加、卸载对应的变形量之比为该点刚度,四点刚度平均值代表总刚度。但是这种方法受进回程速度、内磨擦、中心栓松紧程度和刚度曲线形状、总成永久变形等因素的影响。故而存在着测试计算误差较大。

2)两点法:以满载负荷值与加、卸载变形平均值f之比表示该总成的刚度。两点法测试总成刚度,常用在等截面弹簧刚度的简便计算中,由于计算简单,结果和四点法差别不大,但这种方法测试结果受弹簧永久变形、刚度曲线、板簧内摩擦和回程测试速度的影响。

3)一点法:以满载负荷值与对应的加载变形之比表示总成刚度这种测试方法常用在国外钢板弹簧的刚度测试中,排除了回程时板簧内摩擦和回程速度对钢板弹簧刚度的影响,测试方法简便。但这种方法没有排除加载中的非线性因素的对刚度的影响,考虑的是零到满载负荷之间的直线刚度。

4)四点分段法刚度计算法:以满载负荷的±30%,0.7倍满载负荷和1.3倍满载负荷两个负荷之差的平均值变形差值之比表示总成刚度。这种测试方法常用在模拟夹紧刚度的产品检测上,相当于在±30%满载负荷范围内的板簧刚度,消除板簧永久变形对刚度的影响和0.7倍满载负荷以下刚度曲线部分对满载负荷点刚度的影响,但没有完全消除测试回程速度和回程内摩擦对刚度测试结果的影响,测试计算较为复杂。

5)六点刚度分段计算法:以满载负荷和满负荷的±30%,0.7倍满负荷和1.3倍满负荷三个载荷点的相邻两点力差值与分别对应的变形差值之比为该力点刚度,各力点刚度平均值表示总成刚度。这种测试方法常用在农机板簧刚度测试中,测试计算方法贴近刚度的定义,精度比第四种方法高,计算中消除了板簧永久变形对刚度的影响和0.7倍满载负荷以下刚度曲线部对满载负荷点刚度的影响,但没有完全消除测试回程速度和回程内摩擦对测试结果的影响,测试计算较复杂。

2.弹性元件总成内摩擦对测试结果的影响

测试总成刚度时,各片间都有内摩擦,加载时,内摩擦阻碍碟簧变形,使测试结果偏高,卸载时,内摩擦阻碍碟簧变形回复使测试结果偏小,这也是造成进、回程速度对刚度测试结果有影响的原因,由于内摩擦消耗了一定的功,致使碟簧刚度曲线进、回程形成了一个封闭的曲线,封闭曲线包涵的面积就是碟簧消耗的内摩擦功,内摩擦是影响刚度测试计算结果准确性的最大的因素。

3.对于碟簧的力学性能试验

以弹性元件中的碟形弹簧为例进行试验,试验选取国标GB/T—中A系列的碟簧,尺寸规格为:

(1)D=63,d=31,h=1.7,H=4.7,t=3;

(2)D=90,d=46,h=2,H=7,t=5;

单位均为mm.试验时将2片碟簧为一组进行叠合,多组组对合组成复合组合碟簧。对于复合组合碟簧,对合成倍增加变形,叠合成倍提高承载能力,当碟簧用于动态过程,由于其结构和变形的特点,阻尼总是伴随着变形的过程自动产生,而叠合会增加阻尼,因此加载曲线和卸载曲线是不重合的,想通过试验在测试加载曲线和卸载曲线,从而对于碟簧的变形过程有更加具体的了解。试验时用现有的液压式压力试验机加载,整个过程是加载—卸载连续完成的。试验时将碟簧放在工作台的底座上,上压板匀速向下对碟簧施加载荷,为了避免碟簧安装造成的测量误差,然后传给计算机进行记录。试验过程由于该试验限制在碟簧的正常工作范围(0≤f≤0.75h)内,通过给定不同数值的位移量来进行试验。通过进行多组试验,在不同位移以及循环次数的试验,对碟簧刚度的影响。

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