机械设计基础 第2版 教学课件 张久成 陕西工业职业技术学院 主编第二十章 弹簧 第二十章弹簧

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2、用时能产生较大的弹性变形，在各类机械中应用十分广泛，其主要功用有：1）缓冲减振。如车辆中的减振弹簧、缓冲器所用弹簧等。2）控制运动。如内燃机的阀门弹簧、离合器的控制弹簧等。3）储存能量。如钟表弹簧、仪器中的弹簧等。4）测量力和力矩。如测力器和弹簧秤中的弹簧等。二、弹簧的类二、弹簧的类型型按外形有：螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘簧、板簧等按受力有：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、弯曲弹簧等。弹簧的类型弹簧的类型弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧。结构简单，制造方便，刚度稳定，应用最广，适用各种机械。圆柱形螺旋扭转弹簧。主要用于各种装置中的压紧和储能圆锥形螺旋压缩弹簧。稳定性

3、好，结构紧凑，刚度随载荷变化，多用于承受较大载荷和减振的场合。碟形压缩弹簧。刚度大，缓冲减振能力强，适用于载荷很大而弹簧轴向尺寸受限制的地方。具有变刚度的特性。弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型环形压缩弹簧。缓冲减振能力较强，适用于重型设备。盘形扭转弹簧。变形角大，储存的能量大，轴向尺寸很小，多用作仪器、钟表中的储能弹簧。板形弯曲弹簧。缓冲减振能力强，主要用于汽车、拖拉机、火车车辆的悬挂装置。第二节第二节 圆柱螺旋弹簧的制造、材料和许用应力圆柱螺旋弹簧的制造、材料和许用应力一、圆柱螺旋弹簧的制造一、圆柱螺旋弹簧的制造2）端部结构制作。压簧端面磨平，拉簧和扭簧制作挂钩。1）卷绕。大批量生产时，在自

4、动卷簧机上进行，小批量生产则在普通车床上进行或手工卷制。冷卷：冷拉碳素弹簧丝直径小于10mm时，在常温下卷成。热卷：当弹簧丝直径大于10mm时，先加热后卷制。3）热处理：冷卷弹簧卷成后不再淬火，只经低温回火消除内应力。热卷弹簧卷成后须进行淬火和回火处理。4）强化处理：弹簧制成后，如进行一次强压处理，承载能力可提高20%。如进行喷丸处理，承载能力可提高30%50%，寿命可提高22.5倍。5）工艺实试验。检验表面质量，测试特性曲线等。圆柱螺旋弹簧的制造、材料和许用应力圆柱螺旋弹簧的制造、材料和许用应力二、圆柱螺旋弹簧的材料二、圆柱螺旋弹簧的材料弹簧一般承受变载荷和冲击载荷作用，故弹簧材料应具有高的

5、弹性极限和疲劳极限，足够的的韧性、塑性和良好的热处理性能等。常用材料有：碳素弹簧钢。（如65、70钢）价廉易得。但弹性极限低，多次重复变形后容易失去弹性，不宜承受冲击载荷和在高温下工作，多用于制作小弹簧。合金弹簧钢。有硅锰钢（60Si2MnA）铬钒钢（50CrVA）等。弹性极限和强度高，用于制作承受冲击载荷、高温下工作及重要的弹簧。不锈钢及青铜。具有耐腐蚀性，青铜还具有防磁和导电性能。但力学性能差，仅用于制作在易腐蚀环境下工作的弹簧。三、弹簧的许用应力三、弹簧的许用应力许用应力表许用应力表第三节第三节 圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计一、弹簧的结构和尺寸一、弹簧的结

6、构和尺寸（一）压缩弹簧结构。在自由状态下各圈之间存在间隙，以备受载时变形。弹簧两端各有0.751.75圈并紧，工作时不参与变形，称为支承圈或死圈。支承圈端面有磨平和不磨平两种，但均应与弹簧轴线垂直。磨平结构用于受变载荷的重要弹簧，其磨平长度应不小于3/4圈，末端厚度不小于的d/8（d簧丝直径）。参数和尺寸。簧丝直径d、外径D、中径D2、内径D1、工作圈数n、螺旋升角、节距t、自由高度H0、簧丝长度L等。参数尺寸表参数尺寸表圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计(二)拉伸弹簧结构。在自由状态下各圈是并拢的，若各圈之间无压力称为无预应力拉簧，反之称为有预应力拉簧。端部结构中，

7、半圆钩环型和圆钩环型的钩环直接由弹簧丝弯成，工作时其过渡处的弯曲应力大；可转钩环型和可调式钩环为单独的零件，受力情况较好，方向可调，安装方便。参数尺寸表参数尺寸表参数和尺寸。簧丝直径d、外径D、中径D2、内径D1、工作圈数n、螺旋升角、节距t、自由高度H0、簧丝长度L等。圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计二、弹簧的特性曲线二、弹簧的特性曲线是指弹簧的载荷变形曲线，该类弹簧两者成线性关系。H0弹簧的自由高度F1最小载荷F1 =（0.10.5）F21最小变形H 1弹簧的安装高度F2最大载荷F20.8Flim2最大变形H 2弹簧的工作高度h工作行程h=2- 1Flim极限载

8、荷，与弹性极限对应lim极限变形H lim弹簧的极限高度（一）压缩弹簧圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计（二）拉伸弹簧H0弹簧的自由高度F0预拉力0预拉变形F1最小载荷F1 =(0.10.5)F21最小变形H 1弹簧的安装高度F2最大载荷F20.8Flim2最大变形H 2弹簧的工作高度h工作行程h=2- 1Flim极限载荷，与弹性极限对应lim极限变形H lim弹簧的极限高度无预应力拉簧无预应力拉簧预应力拉簧预应力拉簧圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计三、弹簧的强度计算三、弹簧的强度计算以压缩弹簧为例(结论也适用拉簧)，其受轴向力F的作用。内

9、力分析。应用截面法，由于弹簧的螺旋升角不大（6。9。），故弹簧的轴剖面可近似看为簧丝的法剖面，根据平衡条件，可知内力有切向力F和转矩T=FD2/2。应力分析。切向力F在截面上引起的切应力(b图)转矩T在截面上引起的扭转切应力(c图)22144dFdF3232T2d816d2FDFDWT圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计最大切应力（d图）3222184dFDdF考虑簧丝曲率的影响，最大切应力为（e图）328dFDKK曲度系数CCCK615. 04414C旋绕比，C=D2/d，是弹簧设计中的重要参数之一。在其它条件相同时，C值小，则弹簧刚性大，工作应力大，曲率大，卷绕困难

10、。 C值大，则相反。但C值过大，弹簧易出现颤动。簧丝直径d/mm67161850C714512510494846强度计算832dFDK6 . 1 822CKFCKFd或圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计四、弹簧的变形计算四、弹簧的变形计算由材料力学可知，弹簧的总变形为GdnFCGdnFD343288G 弹簧材料的切变模量。根据变形可求出弹簧的工作圈数为3248FDdGn为制造方便，当n15圈时， n应取为0.5的倍数；当n15圈时， n应取为整数。弹簧刚度：即产生单位变形所需要的载荷，用KF表示。nCGdnDGdFK3324F88

11、可以看出，旋绕比C越小，工作圈数n越少，弹簧的刚度越大，旋绕比C对刚度的影响很大。圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计五、弹簧的稳定性计算五、弹簧的稳定性计算当压缩弹簧的圈数较多，高径比b=H0/D2太大时，可能因发生侧向弯曲而失稳。故应进行稳定性计算。两端固定的弹簧 b=H0/D25.3一端固定，一端铰支的弹簧 b=H0/D23.7两端自由的弹簧 b=H0/D22.6若不满足稳定性要求，除调整参数外，可设置导杆或导套。圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计例题例题 试设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，弹簧丝剖面为圆形。已知最小载荷F1=200N，最大载荷

12、F2=500N，工作行程h=10mm，类弹簧，要求外径不超过28mm，a端部并紧磨平。1）确定弹簧材料、直径d和弹簧中径D2。选用碳素弹簧钢丝（组）并初选C=7，由 得ddDdDC2mm5 . 3287ddd由材料的许用应力表查得b=1550MPa=0.4b=0.41550MPa=620MPa弹簧的曲度系数21. 17615. 0474174615. 04414CCCK圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计根据强度条件可求簧丝直径为4.18mmmm620750021. 16 . 16 . 12CKFd改选d=4mm， ，则因4.18mm假设值3.5mm相差较大，应重新计算

13、。mm64428ddDC253. 16615. 0464164615. 04414CCCK由材料的许用应力表查得 =600MPa，则4.005mmmm6006500253. 16 . 16 . 12CKFd与假设相符，故取d=4mm，D2=24mm。圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计2）求弹簧的工作圈数n。按公式3248FDdGn查表G=80000MPa，d=4mm，D2=24mm，F=F2=500N，= 2由弹簧特性曲线有hFFFFF12121222mm7 .16mm200500500101222FFFhmm19. 6mm24500847 .168000083432

14、4FDdGn取n=6.5圈。考虑两端各并紧一圈，则总圈数n1=n+2=6.5+2=8.5圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计3）确定变形量 lim、 2、 1和实际最小载荷F1。由材料的许用应力表查得lim=0.5b=0.51500MPa=750MPa32limlim8dDFKN627N253. 12487504832lim3limKDdF因为弹簧的工作圈数由6.19取为6.5，故修正计算mm22mm480005 . 6246278843432limlimGdnDFmm55.17mm480005 . 624500884343222GdnDF7.55mmmm)1055.17(21hN215mm5 . 624848000055. 783432411nDGdF圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计圆柱形螺旋拉伸和压缩弹簧的设计4）求弹簧的其余几何参数。在F2作用下，相邻两圈间的间距 则弹簧的节矩为，取，mm5 . 0mm4 . 01 . 0d7.2mmmm)5 . 05 . 655.174(2ndtt基本符合在（1/31/2）D2的范围。弹簧的自由高度（端部并紧磨平）52.8mmmm4)5 . 05 . 8()42 . 7(5 . 6)5 . 0()(10dndtnH自由状态下的螺旋升角45. 5242 . 7arctanDarcta