弹簧设计规范(全)

1、弹簧设计规范薄一、弹簧的功能精弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹 性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有：节、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。菽、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。. I .,噩、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。I产 i - ''妨、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。羁二、弹簧的类型、特点和应用飞气 / ,1菽弹簧的分类方法

2、很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等 四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不 同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表 1。苗表1弹簧的基本类型、特点和作用膂名称量弹簧简图盾特点及应用蔻名 称袄弹簧简图覆特点及应用覆圆柱 形螺旋 弹簧J L , '_袅图(a)承受拉力，图(b) 承受压力，结构简单， 制造方便，应用最为广 泛筮碟 形弹 簧敢承受压力，缓冲及减振能 力强，常用于重型机械的缓 冲和减振装置。蚕圆柱 形螺旋 扭转弹 簧!-l , !1:' - 1

3、 !1 !黄承受转矩，主要用于各 种装置中的压紧和蓄能肃环 形弹 簧展承受压力，是目前最强的 压缩、缓冲弹簧，常用于重 型设备，如机车车辆、锻压 设备和机械中的缓冲装置。蝇圆锥 形螺旋 弹簧蜗承受压力，结构紧凑， 稳定性好，防振能力较 强，多用于承受大载荷 和减振的场合蓬盘 簧聿承受转矩，能储存较大的 能量，常用作仪器、钟表中 的弹簧。衿板弹 簧肇承受弯曲，变形大，吸 振能力强，主要用于汽 车、拖拉机和铁路车辆 的悬挂装置。范在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。膂三、弹簧使用的材料及其用途量弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳

4、极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和镒，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。充弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUB 。碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如： 65#, 75#,85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn,如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用 50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn,50CrMn,30W4Cr2V箍a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、镒、铭、钮及铝等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳

5、限 度，且使其耐冲击。袁b、大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度850度左右之油或水中，再施以 400度500度的温度回火。« c、小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，卷成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。 I ., i 蛔d、琴钢丝是属高炭钢材（0.650.95%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过物化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及韧性大，为优良的螺旋弹簧材料。 , I . *'蒂e、不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。'蚀f、油回火线含碳量 0.60.7%应含镒，0.61.0%常用于螺圈弹簧

6、。肇g、板弹簧常用0.91.0%之普通钢，其较高级者则使用铭锐钢及矽镒钢。肆 项 目索名 称着JIS代 码膈概略组成11蕨主要用途及特点着单价 级别蒂回火温度芈热后颜色薄1芍不 锈钢 线范SUS302 和WPB芨C（碳）、Si（硅）、R/lc漆子、D/础箍经过冷加工可得高强度，铁路 车辆、输送机螺丝、螺帽、弹簧 等，耐热、耐蚀。螂中量300°480°之 间（视线径之大小）曹米灰色亮白 色莅SUS304 和WPBIS（硫）、Ni（银）、 Cr（铭）、Mo（旬）蔻广为使用于不锈钢、耐热钢， 又用于食品设备，一般仪学设 备，原子力，耐热耐蚀。建2碳 钢线帔 SWCSWB 袂 C（

7、碳）、Si（硅）、 ，Mn（镒）、P（磷）、S（硫）袁硬拉钢线，用于耐蚀性差，要 求精度不高，钢性较脆，成形后 要表面处理或加防锈油。副氐腿200°400°之 间（视线径之大小）妨淡茶色、茶 色、青色、淡 蓝色、褐色薄3蜗琴 钢线充SWPASWIB建C（碳）、Si（硅）、>Mn（镒）、P（磷）、 S（硫）、Cu（铜）菽耐疲劳性佳，要求精度高。一 般用于电池弹簧、开关弹簧等、 钢性柔韧，成形后要表面处理或 加防锈油。蟆局嵋200°400°之 间（视线径之大小）蛔同SWPA SWPB前4袂皱 铜线滕 C1720W节 Be（钺）、Mn（镒）、 Ni（银）

8、、P（磷）Cu（铜）+Sn（锡 ）+P（磷）Ni（银）+Co（ 钻）赚耐蚀性佳，于时效硬化处理前， 富于展性时效硬化处理后，增加 耐疲劳性，导电性时效硬化处理 应加工后，可制螺丝弹簧电刷， 通讯器具（表面镀银、金）。U特局150° 200°黄色5磷青 铜C5191WSn（锡）、Zn（冷）、 P（磷）耐疲劳性，耐蚀性、耐磨耗性佳， 可制螺丝弹簧、扭簧、扣钮、扎 电机、通讯市场适用（镀金、银）。较高150° 200°黄色6其它如油回火线、白铜线及其它线材，不常用，适用于航天科技。镀银 线等同SWC+Ni常需特别制做，造价昂贵。弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工

9、作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。表2螺旋弹簧的常用材料和许用应力材料许用应力rMPa推荐使用温 度/ c推荐硬度范围特点及应用类别牌号I类口类W类碳素弹簧 钢丝B、O D 级0.3 b h0.4(/0.5，-40-120价廉易得，热处理后强度较高，但尺 寸大了不易淬透，多用于制作小弹簧合金钢丝60SiMn480640800-40-20045-50HRC1.弹性和回火稳定性

10、好， 但易脱碳，适 用于制造受重载的大弹簧。50CrVA450600750-40-210有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回 火稳定性好，常用于制造受变载荷的 弹簧60SiCrVA57076095045-50强度高，弹性好，耐高温，适用于承 受重载荷的弹簧不锈钢丝4CrI3450600750-40-300|1耐腐蚀，耐高温，适用于受腐蚀介质 影响的弹簧青铜丝QSi3-1270360450-40-12048-53HRC耐腐蚀，防磁，适用于机械或仪表中QSn4-390-100100HRC的弹簧在选择材料时，应考虑弹簧的用途、重要性、工作条件（如载荷性质、大小及循环特性，工作温度和周围介 质，工作时间等

11、）、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。如碳素弹簧钢的价格低，强度高，性能好，广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧；合金钢的强度高，弹性好，耐温高，适用于尺寸较大及承受冲击载 荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧；铜合金的耐腐和抗磁性好，但强度低， 适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。表3为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。非金属弹簧的材料主要是橡胶，另外还有塑料、软木和空气等。弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸，弹簧的工作条件和重要程度有关， 弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类（见表2）

12、;循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为I类；循环次数在103-10 6之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为n类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为出类。碳素弹簧钢的强度高、性能好，供应充足，应用广泛，适于制造弹簧丝直径dw 13mm勺弹簧。按照用途分为三级：B级（d=0.08-10mm）用于低应力弹簧； C级d = 0.08-10mm用于中等应用弹簧； D级（d= 0.08-6.0mm ） 用于高应力弹簧。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限bb见表3。表3 GB4357-89碳素弹簧钢丝抗拉强度（GB/T1

13、239.6-92 ）单位：MPa钢丝直径 d/mm级 别钢丝直径 d/mm级 别B级C级D级B级C级D级1.001600196023004.51320152016201.21620191022505.01320147015701.41620186021505.51270147015701.61570181021106.01220142015201.81520176020106.31220142015202.01470171019107.011701370-2.21420166018108.011701370-2.51420166017609.011301320-2.81370162017101

14、0.011301320-3.013701570171011.01080127012703.213201570171012.01080127012703.513201570166013.01030122012204.0132015201620四、弹簧设计资料圮号名称单位圮号名称单位圮号名称单位d材料直径mmk弹簧定数kgf/mma1腕长(作动点)mmD弹簧平均在mmX庄力修止kgf/mma2晚长(固矩点)mmNa后双圈数6艾量mmE弹性系数kgf/mmL自由长mmPi初张力kgfSUS19,000kgf/mmM密育长mm -2K应力修止系数-SWP21,000kgf/mmG横弹性系数kgf/mm

15、e弹簧指数D/d-kTd弹簧定数kgfmm/degSUS7000kgf/mm2L0目由长mma等曲反力kgf/mmSWPA B8000kgf/mm2a目由用P点作动点-SUWC(1)d使用的角(变量)P0点固定点-P弹簧荷重kgfR荷重作用半径mmkb弯曲修正系数-压缩弓簧(无研磨)压缩弓簧(研磨)弹簧定数：K= (GX d4) / (8XD3XNa)弯曲应力：° = (8 X DX P) / (兀 d3) X KK= (4C-1 ) / (4C-4) +0.615/C荷重：P=KX 8(安全确认)安全角(间隔角)：14度以下弹簧指数：413扭转应力：容许限界以下第1荷重(A): 0

16、.8L以下第2荷重(B): 1.2M以上引张弹簧荷重：P=kS+Pi初张力：Pi=(兀 d40 / (800D2)弹簧定数：K= (Gd4) / (8D3Na)弯曲应力：t = (8DP) / ( d d3) x k自由长：L0=d(N+1)+2.2(D-d)(安全确认)扭转应力：容许限界以下弯曲应力：容许限界以下初张力的减少：(最大引张时)扭力弹簧(臂长度的场合)弹簧定数不清：kTd= (Ed4) /3667D x N+389(a1+a2)荷重：P= (kTdx()d) /R弯曲应力：b = (EdX(f)d) / (360DX N)(r= (32PXR) / (兀 d3) X kb(安全确

17、认)：kb= (4C2-C-1) /4C(C-1)弯曲应力：容许限界以下4.1、 弹簧设计使用的基本公式4.1.2、 有初始张力的拉伸弹簧d恒 J恒8DP i/，+4.2、 设计弹簧时应考虑的因素G材料符号G (N/mmi)弹簧钢SUP6,7,8,9,9A,10,11A,12,1378x103碳钢丝SW-B,SW-C78x103琴钢丝SWPA,SWPB78x103油回火钢丝SWO,SWO-V,SWOC aWOSC-V,SWOSM,SWOSC-B78x103不锈钢丝SUS302,SUS304,SUS304N1,SUS31669x103SUS631J174x103压缩弹簧分别表示螺旋两端的端部磨平

18、圈数图a-c中闭口型，Xi=X2=1图 d-f 中开口型，Xi=X2=0.75拉伸弹簧：Na=N（a）闭口端（无磨削）（b）闭口端（磨削）（c）闭口端（锥形）（d）开口端（无磨削）（e）开口端（磨削）（f）开口端（锥形）（g）开口端3/4端部磨平圈（无磨削）（h）正切尾端（无磨削）（i）抽头尾端（无磨削）相对于弹簧指数c的应力修正系数取决于下式或图、弹簧指数c：弹簧指数减小会导致局部应力过大。另外，弹簧指数较大或较小时，加工性也成问题。因此，热轧成型时，弹簧指数可在415的范围内选择。冷轧成形时，弹簧指数可在422的范围内选择。、纵横比：为了确保有效圈数，压缩弹簧的纵横比（自由高度与螺旋平均直

19、径之比）可设定为0.8以上,另外，在考虑到端部磨平圈的情况下，一般可在0.84范围内选择。、有效圈数：如果有效圈数为3以下，弹簧特性则会变得不稳定，因此应将弹簧指数设定为3以上。、节距：节距超过 0.5D时，由于螺旋直径通常会随着绕曲量（负载）的增加而发生变化，需要对利用基本公式求出的绕曲量与扭转应力进行修正，因此应将节距设定为0.5D以下。五、弹簧电镀相关资料NO表面处理简单工艺介绍镀后颜色用途镀层厚度盐雾试验标准1镀金（Au）原油酸洗银1氐镀 金一烘干金色降低接触电阻，的增 耗，保真效果。0.040.06 g m蹲1.21.5 a m厚24H以上2镀铭（Cr）除油-酸洗-打铜底 2次（碱铜、酸铜）银底 镀铭-烘干天蓝色硬度身，耐