弹簧设计资料

1、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计§12-2圆柱拉、压螺旋弹簧的设计一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线1、弹簧的结构(1)压缩弹簧（图121）A、YI型：两端面圈并紧磨平B、Y型：两端面圈并紧不磨平。磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。(a)Y型(b)Y型图12-1压缩弹簧(2)拉伸弹簧（图122）A、LI型：半圆形钩B、L型：圆环钩C、L型：可调式挂钩，用于受力较大时图12-2拉伸弹簧2、主要几何尺寸弹簧丝直径d、外径D、内径、中径、节距p、螺旋升角a、自由高度(压缩弹簧)或长度(拉伸弹簧)，如图12-3。此外还有有限圈数n，总圈数，几何尺寸计算公式见表1

2、2-1。(a)(b)图12-3圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数弹簧指数C：弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即：C=D2/d。弹簧丝直径 d 相同时，C 值小则弹簧中径D2也小，其刚度较大。反之则刚度较小。通常C值在416范围内，可按表12-2选取。表12-2圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C弹簧直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161842C71451251041048463、特性曲线弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。(1)压缩弹簧其特性曲线如图12-4所示。图中H0为弹簧未受载时的自由高度。Fmin为最小工作载荷，它是使弹簧处于安装位置的初始载荷。在Fmin的作用下，

3、弹簧从自由高度H0被压缩到H1，相应的弹簧压缩变形量为min。在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下，弹簧的压缩变形量增至max。图中Flim为弹簧的极限载荷，在其作用下，弹簧高度为Hlim，变形量为lim，弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外，图中的h=max-min，称为弹簧的工作行程。图12-4圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图12-5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线(2)拉伸弹簧其特性曲线如图12-5所示。按卷绕方法的不同，拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。无初应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。有初应力的拉伸弹簧的特性曲线，如图12-5c所示。有一段假想的变形量x，相应的初拉力F0，

4、为克服这段假想变形量使弹簧开始变形所需的初拉力，当工作载荷大于F0时，弹簧才开始伸长。对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin0.2Flim，对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0；弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取Fmax0.8Flim，因此，为保持弹性的线性特性，弹簧的工作变形量应取在(0.20.8)lim范围内。二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析1、强度约束条件图12-6为承受轴向载荷的压缩弹簧，现分析其受力情况，拉伸弹簧的簧丝受力情况完全相同。如图12-6a，在通过轴线的剖面上，弹簧丝的剖面为椭圆，但由于螺旋升角一般很小，可近似地用圆形剖面代替。将作用于弹簧的轴向载

5、荷F移至这个剖面，在此剖面上有转矩：T=FD2/2和剪切力F的联合作用。这二者在弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力为： 式中：K为曲度系数(或称补偿系数)，用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，其值可按下式计算：则弹簧丝的强度约束条件为：或式中：为许用剪切应力；Fmax为弹簧的最大工作载荷。图12-6受轴向载荷的压缩弹簧2、刚度约束条件圆柱螺旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得的，即：式中，G为材料的剪切弹性模量。由此可得刚度约束条件为或式中：k为弹簧刚度，表示弹簧单位变形所需的力。一般n应圆整为0.5的整数倍，且大于2。3、稳定性约束条件当作用在压缩弹簧的载荷过大，高径比b=H0/D2超出一定

6、范围时，弹簧会产生较大的侧向弯曲(图12-7)而失稳。为保证弹簧的稳定性，一般规定，两端固定时取b<5.3；一端固定另一端自由时，取b<3.7；两端自由时，应取b<2.6。如未能满足上述要求，则要按下式进行稳定性验算： Fmax<FC=CBkH0式中：FC为临界载荷，CB为不稳定系数，见图12-8。图12-7压缩弹簧的失稳图12-8不稳定系数CB三、弹簧的材料与许用应力常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。选择材料时，应根据弹簧的功用、载荷大小、载荷性质及循环特性、工作强度、周围介质以及重要程度来进行选择，几种弹簧材料的性能和许用应

7、力值见表12-3，弹簧钢丝的抗拉强度见表12-4。表12-3弹簧材料和许用应力类别牌号压缩弹簧许用剪切应力t/MPa许用弯曲应力sb/MPa切变模量G/MPa弹性模量E/MPa推荐硬度范围HRC推荐使用温度/特性及用途类类类类类钢丝碳素弹簧钢丝、琴钢丝(0.30.38)sb(0.380.45)sb0.5sb(0.60.68)sb0.8sb79000206000-40120强度高，性能好，适用于做小弹簧，如安全阀弹簧或要求不高的大弹簧油淬-回火、碳素弹簧钢丝(0.350.4)sb(0.40.47)sb0.55sb(0.60.68)sb0.8sb65Mn34045557057071060Si2Mn

8、60Si2MnA 4455907407409254050-40200弹性好，回火稳定性也，易脱碳，用于受大载荷的弹簧。60Si2Mn可作汽车拖拉机的弹簧，60Si2MnA可作机车缓冲弹簧50CrVA4550-40.210用作截面大高应力弹簧，亦用于变载荷高温工作的弹簧65Si2MnWA60Si2CrVA 56074593193111674752-40250强度高，耐高温，耐冲击，弹性好30W4Cr2VA4425887357359204347-40350高温时强度高，淬透性好不锈钢丝1Cr8Ni9OCr19Ni10OCr17Ni12Mo2OCr17Ni8Al (0.280.34)sb(0.340

9、.38)sb0.45sb(0.50.65)sb0.75sb71000185000-200300耐腐蚀1Cr18Ni9Ti2Cr18Ni9 32443253353367771600193000-250300耐腐蚀，耐高温，适用于做化工，航海用小弹簧4Cr13441588735735922755002150004853-40300耐腐蚀，耐高温，用于做化工、航海的较大尺寸弹簧Co40CrNiMo500667834834100076500197000-40400耐腐蚀，高强度，无磁，低后效，高弹性青铜丝QSi3-12653534424425504100093000HBS90100 -40120耐腐蚀

10、，防磁。用作电器仪表，航海的弹簧QSn4-3QSn6.5-0.1 40000QBe2353442550550730440001290003740-40120导电性好，弹性好，耐腐蚀，防磁，用作精密仪器弹簧注：(1)选择弹簧材料和许用应力。 选用C级碳素弹簧钢丝。根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表12-4查得sb=1570MPa，由表12-3知：t=0.41sb=644MPa。(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.21由式得d4.1mm由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。试算(二)：(1) 选择弹簧材料同上。为取得较大的d值

11、，选C=5.3。仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。查表12-4得sb=1520MPa，由表12-3知t=0.41sb=623MPa。(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.29由式得d3.7mm。可知：d=4.4mm满足强度约束条件。(3) 计算有效工作圈数n由图12-4确定变形量 max： max=16.7mm。查表12-3，G=79000N/，由式得n=9.75取n=10，考虑两端各并紧一圈， 则总圈数n1=n+2=12。至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。试算(三)：(1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253

12、，d=4mm 查表12-4，得sb=1520MPa，t=0.41sb=623MPa。(2) 计算弹簧丝直径。得d3.91mm。知d=4mm满足强度条件。(3)计算有效工作圈数n。由试算(二)知，max=16.7mm，G=79000N/，由式得n=6.11取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。这一计算结果即满足强度与刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又是一个较优的解，可将这个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作稳定性校核。(4) 确定变形量 max、min、lim和实际最小载荷Fmin 弹簧的极限载荷为：因为工作圈数由6.11改为6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应有

13、所变化。由式得：min=maxh=(17.77-10)mm=7.77mm(5) 求弹簧的节距p、自由高度H0、螺旋升角和簧丝展开长度L在Fmax作用下相邻两圈的间距0.1d=0.4mm，取=0.5mm，则无载荷作用下弹簧的节距为 p=d+max/n+1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mmp基本符合在(1/21/3)D2的规定范围。端面并紧磨平的弹簧自由高度为取标准值H0=52mm。无载荷作用下弹簧的螺旋升角为基本满足=5°9°的范围。弹簧簧丝的展开长度(6) 稳定性计算b=H0/D2=52/24=2.17采用两端固定支座，b=2.17<5.3，故不

14、会失稳。(7) 绘制弹簧特性线和零件工作图。 12-3板弹簧的设计浏览字体设置：-11pt+10pt12pt14pt16pt放入我的网络收藏夹§12-3板弹簧的设计板弹簧的刚度很大，是一种强力弹簧。主要用于各种车辆的减振装置和某些锻压设备的结构中。板弹簧分平板弹簧和重叠板弹簧两类。一、平板矩形弹簧如图12-9所示，简单的、一块板的矩形弹簧，它的设计约束条件为最大弯曲应力与变形l需满足：图12-9矩形弹簧二、重叠板弹簧 梯形板簧有比较大的负荷变量，但由于它占的空间较大，可以按如图12-10那样将梯形板切成等宽的几块，再重叠起来，形成小形化的板弹簧。这种重叠式的板弹簧，由于板与板之间有摩

15、擦，所以，在承受振动载荷时有衰减的作用。重叠板弹簧有各种不同的结构，图12-11表示是其中的一种，其装配过程见图12-12，受力变形见图12-13。重叠板的数目一般取614块，为防止过大的摩擦，也有只取35块的。在汽车上使用时，由于负荷及道路的状态在不断变化，板簧的荷重-变形图应为非线性的。因此，可设置如图12-14所示的辅助板簧。图12-10重叠板弹簧原理图12-11重叠板弹簧图12-12板弹簧的装配过程图12-13板弹簧的受力变形图12-14辅助弹簧若不考虑板间的摩擦，如前述梯形板簧一样，重叠板簧的设计约束条件为：式中：k' 按下式计算：式中：n为板的块数。n' 按下式计算

16、：。实际上还存在板间的摩擦和板的挠度等，严格地讲上述计算值与实测值还有一点差距，但用于普通设计是足够的。12-4碟形弹簧浏览字体设置：-11pt+10pt12pt14pt16pt放入我的网络收藏夹§12-4碟形弹簧碟形弹簧呈无底碟状，一般用薄钢板冲压而成。实用中将很多碟形弹簧组合起来，并装在导杆上或套筒中工作。碟形弹簧只能承受轴向载荷，是一种刚度很大的压缩弹簧。如图12-15所示为一个碟形弹簧受负载时的状态。一般h/t<1.3，R0/Ri=1.52.5。可根据h/t的值的变化作载荷变形曲线。如果h/t>2.8，则弹簧反向弯曲而不可恢复（参看图12-16）。如果h=0，则变为盘形垫圈。图12-15碟形弹簧图12-16碟形弹簧的载荷变形曲线§12-5习题l2-l圆柱螺旋压缩弹簧，用II型碳素弹簧钢丝制造。已知材料直径d=6mm，弹簧中径D234mm，有效圈数n=l0，问当载荷P900N时，弹簧的变形量是多少？12-2某牙嵌式离合器用圆柱螺旋弹簧的参数如下:D36mm，d=3mm，n=5，弹簧材料为II型碳素弹簧钢丝，最大工作载荷Pmax=lOON，载荷循环次数Nl000，试校核此弹簧的强度。l2-3