弹簧-机械设计-课件-16

1、第十六章第十六章 弹弹 簧簧弹簧是内燃机设计中常遇到的一种弹性元件。弹簧是内燃机设计中常遇到的一种弹性元件。例：气门弹簧，主离合器弹簧，制动器，气动、液例：气门弹簧，主离合器弹簧，制动器，气动、液压装置的各种控制阀（压力阀、电磁阀、安全阀）压装置的各种控制阀（压力阀、电磁阀、安全阀）弹簧等。弹簧等。要求掌握弹簧的设计方法。要求掌握弹簧的设计方法。16-1 弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型弹簧特点：刚性小、弹性大。（受力后得到很大的弹簧特点：刚性小、弹性大。（受力后得到很大的弹性变形，外力消失后，变形即消失，能恢复原弹性变形，外力消失后，变形即消失，能恢复原状。）状。）1、减振和缓冲：车身弹簧、

2、缓冲器弹簧；、减振和缓冲：车身弹簧、缓冲器弹簧；2、测量力的大小：弹簧称；、测量力的大小：弹簧称；3、贮存及输出能量：钟表、仪表弹簧；、贮存及输出能量：钟表、仪表弹簧；4、控制机构的运动：安全阀、离合器。、控制机构的运动：安全阀、离合器。一、弹簧的功用一、弹簧的功用二、弹簧的类型二、弹簧的类型1、按承受的载荷不同分：拉伸、压缩、扭转、弯曲；、按承受的载荷不同分：拉伸、压缩、扭转、弯曲；2、按形状不同分：螺旋、环形、碟形、盘簧、板簧。、按形状不同分：螺旋、环形、碟形、盘簧、板簧。最常用的为圆柱形螺旋弹簧。本章仅介绍该弹簧的结最常用的为圆柱形螺旋弹簧。本章仅介绍该弹簧的结构形式、设计理论和计算方法

3、。构形式、设计理论和计算方法。16-2 螺旋弹簧的制造、材料及许用应力螺旋弹簧的制造、材料及许用应力一、制造一、制造螺旋弹簧的卷制方法：分为冷卷、热卷两种。螺旋弹簧的卷制方法：分为冷卷、热卷两种。1、冷卷法：、冷卷法：d(810)mm的碳素弹簧钢丝或合金的碳素弹簧钢丝或合金钢丝（太硬）。钢丝（太硬）。 热卷热卷淬火淬火回火回火强压处理：一般可提高承载能力强压处理：一般可提高承载能力20 。喷丸处理：变载荷弹簧可提高承载能力喷丸处理：变载荷弹簧可提高承载能力3050 ，提高使用寿命提高使用寿命22.5倍。倍。二、材料及许用应力二、材料及许用应力要求：弹性极限、疲劳极限高，具有足够的韧性要求：弹性

4、极限、疲劳极限高，具有足够的韧性和塑性，可热处理性好。和塑性，可热处理性好。常用弹簧材料：常用弹簧材料：工艺试验：按技术要求进行精度、冲击、疲劳试工艺试验：按技术要求进行精度、冲击、疲劳试验。验。注意：簧丝表面必须光洁，无裂纹、伤痕，表面注意：簧丝表面必须光洁，无裂纹、伤痕，表面脱碳，否则会影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。脱碳，否则会影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。1、碳素弹簧钢、碳素弹簧钢分为分为、a、 四组，四组，组强度高，组强度高，a比比 有更好的塑性。有更好的塑性。优点：价格便宜，材料来源方便。优点：价格便宜，材料来源方便。缺点：弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，缺点：弹性极限低，

5、多次重复变形后易失去弹性， 不能在高于不能在高于120 C条件下工作。条件下工作。2、低锰弹簧钢（如、低锰弹簧钢（如 65Mn）优点：淬透性好，强度高，价格便宜。用于尺寸优点：淬透性好，强度高，价格便宜。用于尺寸 不大的一般机械的弹簧。不大的一般机械的弹簧。缺点：淬火后易产生裂纹及热脆性。缺点：淬火后易产生裂纹及热脆性。3、硅锰弹簧钢（如、硅锰弹簧钢（如 60Si2Mn）钢中加入了硅可显著提高弹性极限，提高回火稳钢中加入了硅可显著提高弹性极限，提高回火稳定性，但含硅量高时，表面易于脱碳，而锰的脱定性，但含硅量高时，表面易于脱碳，而锰的脱碳性小，故钢中加入硅、锰这两种元素。碳性小，故钢中加入硅、

6、锰这两种元素。用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。4、铬钒钢（如、铬钒钢（如 50CrVA） 钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性性,该材料耐疲劳该材料耐疲劳,抗冲击性能良好抗冲击性能良好, 能在能在 40350 C 下工作，但价格较贵。下工作，但价格较贵。用于航空发动机，如柱塞油泵弹簧。用于航空发动机，如柱塞油泵弹簧。5、其它材料、其它材料不锈钢、青铜：防腐、防磁、导电性（用于化工设不锈钢、青铜：防腐、防磁、导电性（用于化工设备、腐蚀性介质中）。备、腐蚀性介质中）。弹簧材料的许用应力：载荷性质不同、重要性不同，

7、弹簧材料的许用应力：载荷性质不同、重要性不同，则安全系数亦不同。则安全系数亦不同。分成三类：分成三类：类：受变载荷作用次数在类：受变载荷作用次数在106以上的重要弹簧。以上的重要弹簧。（气门弹簧、制动弹簧）（气门弹簧、制动弹簧）类：受变载荷作用次数在类：受变载荷作用次数在103 105以上或受冲击以上或受冲击 载荷的弹簧。（调速器弹簧、车辆弹簧）载荷的弹簧。（调速器弹簧、车辆弹簧）类：受变载荷作用次数在类：受变载荷作用次数在103以下（静载荷）的以下（静载荷）的弹簧。（安全阀弹簧、离合器弹簧）弹簧。（安全阀弹簧、离合器弹簧）16-3 圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹

8、簧的设计计算一、几何参数及特性曲线一、几何参数及特性曲线1、压缩弹簧压缩弹簧死圈：弹簧端部只起支承死圈：弹簧端部只起支承作用，不参与变形的圈。作用，不参与变形的圈。当当n(工作圈数工作圈数) 7时，为时，为 0.75圈；圈；n7时，为时，为11.75圈（每端）圈（每端）按端部结构分：按端部结构分：Y ：并紧并磨平。：并紧并磨平。Y ：并紧不磨平。：并紧不磨平。Y ：并紧，锻平（热卷）：并紧，锻平（热卷） 亦可磨平。亦可磨平。重要场合：重要场合： Y型，保证垂直。型，保证垂直。磨平长度磨平长度 3/4 圈，端头厚度圈，端头厚度 d/8，端面光洁度，端面光洁度 3结构尺寸：结构尺寸：d 弹簧直径，

9、（关键尺寸）弹簧直径，（关键尺寸）d , 强度强度 。D2 中径中径 D2 =C d C 弹簧指数弹簧指数 C = D2 / dD 外径外径 D = D2 +dD1 内径内径 D1 = D2 d 轴向间隙轴向间隙 =tdn 工作圈数（有效圈数）工作圈数（有效圈数） n 2 n1 总圈数总圈数 n1=n+(22. 5) 冷卷冷卷 n1=n+(1. 52) YI型热卷，推荐型热卷，推荐n1尾数为尾数为1/2圈圈一般：一般：d 0.5mm可不磨平，可不磨平， d0.5mm可磨平可磨平。t节距节距两端磨平两端磨平 ndHt 25 . 10两端不磨平两端不磨平 ndHt 5 . 330H0自由高度自由高

10、度 dntH 25 . 10两端磨平两端磨平 dntH 5 . 330两端不磨平两端不磨平b压缩弹簧细长比压缩弹簧细长比20DHb b在在15.3范围取范围取 螺旋角螺旋角2Dtarctg 一般为右旋一般为右旋,推荐推荐 =5 9 L展开长度展开长度 cos12nDL rLdmmss 42 质质量量特性曲线：特性曲线：为保证弹簧具有弹性，即不产为保证弹簧具有弹性，即不产生永久变形，弹簧应在弹性极生永久变形，弹簧应在弹性极限内工作。限内工作。特性曲线特性曲线表示载荷表示载荷P与变形与变形 的关系曲线的关系曲线.常常数数即即 PkpPmin最小工作载荷（使弹簧可靠地安装），亦称最小工作载荷（使弹簧

11、可靠地安装），亦称 安装载荷。一般安装载荷。一般 Pmin=(0.10.5) PmaxPmax最大工作载荷（达到或接近许用应力值）。最大工作载荷（达到或接近许用应力值）。Plim 极限载荷（达到材料的弹性极限）。极限载荷（达到材料的弹性极限）。H1、 H2、 H3三种载荷下对应的弹簧高度。三种载荷下对应的弹簧高度。 min、 max、 lim 三种载荷下对应的三种载荷下对应的 压缩变形量。压缩变形量。h弹簧的工作行程弹簧的工作行程 h= max min 10minminmaxlimlimmaxmaxminminHHPhPPPPPkp 特性曲线：特性曲线：i. 必须画在弹簧工作图上，必须画在弹簧

12、工作图上， 作为检验和试验的依据。作为检验和试验的依据。ii. 弹簧设计时，必须利用弹簧设计时，必须利用 的关系。的关系。 Pkp 2、拉伸弹簧、拉伸弹簧拉伸弹簧空载时各圈相互并拉伸弹簧空载时各圈相互并紧（即紧（即 =0）。端部制有挂）。端部制有挂钩，以便安装及加载。钩，以便安装及加载。挂钩形式：挂钩形式：LI、LII 型：制造方便，但过渡处弯曲应力很大。型：制造方便，但过渡处弯曲应力很大。广泛应用于广泛应用于d 10mm的弹簧中。的弹簧中。L、 型：结构合理，弯曲应力小。型：结构合理，弯曲应力小。用于受力较大的弹簧。用于受力较大的弹簧。几何参数：几何参数：主要参数：主要参数： d，D2=C

13、d，n=n1其它参数：其它参数： D，D1， =0，t=d，H0， ，L特性曲线：特性曲线：无初应力的拉伸弹簧：无初应力的拉伸弹簧：特性曲线同压缩弹簧。特性曲线同压缩弹簧。有初应力的拉伸弹簧：有初应力的拉伸弹簧：当承受载荷时，首先当承受载荷时，首先要克服假想变形量要克服假想变形量 x，弹簧才开始伸长。弹簧才开始伸长。一般取一般取 P0=(0.750.85)Pmin二、螺旋弹簧受载时的应力及变形二、螺旋弹簧受载时的应力及变形1、应力、应力拉伸弹簧与压缩弹簧在轴向载荷拉伸弹簧与压缩弹簧在轴向载荷 P 作用下，弹簧作用下，弹簧丝的受力情况是完全一样的，下面仅分析压缩弹丝的受力情况是完全一样的，下面仅

14、分析压缩弹簧的受力情况。簧的受力情况。沿弹簧轴线切开，弹簧丝截面沿弹簧轴线切开，弹簧丝截面椭圆。椭圆。螺旋升角螺旋升角 =59，很小，很小，近似近似圆形。将轴向载荷圆形。将轴向载荷P向剖面中心简化。向剖面中心简化。剪力剪力 P 引起引起 剪应力剪应力扭矩扭矩 （主要）（主要） 扭剪应力扭剪应力22DPT 42dPP 16232dDPT 叠加后内侧（叠加后内侧（m）最大应力为：）最大应力为： CdPdDdPdPDdPTP21421484222322 引进补偿系数（曲度系数）引进补偿系数（曲度系数）K：考虑升角：考虑升角 及曲率及曲率对弹簧丝中应力的影响，忽略对弹簧丝中应力的影响，忽略 P的的 影

15、响。影响。CCCK615. 04414 弹簧丝内侧最大应力：弹簧丝内侧最大应力： 28dCPKKT 2、变形、变形由材料力学得到弹簧受轴向载荷由材料力学得到弹簧受轴向载荷P后，轴向变形量后，轴向变形量 为：为：GdnPCGdnPD343288 则当则当Pmax作用下的最大轴向变形作用下的最大轴向变形 max为：为：i. 对于压缩弹簧和无预对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：应力的拉伸弹簧：GdnCP3maxmax8 ii.对于有预应力的拉伸对于有预应力的拉伸弹簧：弹簧：GdnCPP30maxmax)(8 式中：初应力式中：初应力 推荐初应力推荐初应力 0 由图由图16-9选取。选取。20308K

16、DdP 3、弹簧刚度：表示使弹簧产生单位变形所需的力。、弹簧刚度：表示使弹簧产生单位变形所需的力。 （主要参数）（主要参数）nDGdnCGdPkP324388 kP ，所需的力，所需的力 ，弹簧的弹力，弹簧的弹力 。影响影响kP的因素：的因素： kP1/C3 合理选择合理选择C以控制以控制kP ，即控制弹簧的弹力，此外还有即控制弹簧的弹力，此外还有G，d，n等因素。等因素。三、承受静载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计三、承受静载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计静载荷的弹簧：应力循环次数在静载荷的弹簧：应力循环次数在103以下，（如安以下，（如安全阀门、离合器弹簧）。全阀门、离合器弹簧）

17、。已知：已知：Pmax max 结构要求（如安装空间限制等）。结构要求（如安装空间限制等）。设计步骤：设计步骤：1 选择材料；选择材料；2 选择弹簧指数选择弹簧指数C，计算补偿系数，计算补偿系数K； 一般取一般取C=58（不超过（不超过416） 计算计算3 根据安装空间设计弹簧中径根据安装空间设计弹簧中径D2，估计弹簧丝直径，估计弹簧丝直径 d= D2/C并由表并由表16-2，取许用应力。，取许用应力。CCCK615. 04414 4 试算弹簧丝直径试算弹簧丝直径d： 如如d与估计的与估计的d相差太远时，应重选相差太远时，应重选d d KCPdmax6 . 1 5 根据变形条件求弹簧工作圈数根

18、据变形条件求弹簧工作圈数 n： 拉伸弹簧：拉伸弹簧： 压缩弹簧：压缩弹簧： max30max8 CPPGdn max3max8 CPGdn 6 求弹簧的尺寸求弹簧的尺寸D，D1，H0，检查是否符合安装要，检查是否符合安装要 求等，不符合则改选参数（求等，不符合则改选参数（C值），重新设计。值），重新设计。7 验算稳定性验算稳定性 当压缩弹簧长度较大时（一般用细长比当压缩弹簧长度较大时（一般用细长比b=H0/D2 表示）受力后容易失去稳定性。表示）受力后容易失去稳定性。 要求：当两端固定时：要求：当两端固定时：b5.3 当一端固定，另一端自由转动时：当一端固定，另一端自由转动时： b3.7 当两端自由转动时：当两端自由转动时： bPmax式中：式中：Pc 临界载荷；临界载荷； Cu不稳定系数不稳定系数 查图查图16-11；如如Pc103的变载荷重要弹簧：进行疲劳强度安全的变载荷重要弹簧：进行疲劳强度安全 系数计算系数计算; 对于对于N103的变载荷重要弹簧：进行静强度安全系的变载荷重要弹簧：进行静强度安全系 数计算。