第16章弹簧设计

1、机械设计基础机械设计基础第十六章第十六章 弹簧设计弹簧设计重点内容重点内容常用弹簧的类型、特点、应用、常用弹簧的类型、特点、应用、材料及制造工艺材料及制造工艺圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算计计算一、一、弹簧的功能弹簧的功能1.缓冲吸振缓冲吸振-车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧，车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧，通常具有较大的弹性变形通常具有较大的弹性变形，可以吸收较多的冲可以吸收较多的冲击能量。击能量。16-1 弹簧的功能、类型及特性曲线弹簧的功能、类型及特性曲线2.控制运动控制运动-在变形范围内作用力变化不大。在变形范围内作用力变化不大。3.储存和释放能量储存和释放能

2、量-钟表中的弹簧钟表中的弹簧。既有较大。既有较大的弹性，又有稳定的作用力。的弹性，又有稳定的作用力。4.测量力或力矩测量力或力矩-弹簧秤中弹簧弹簧秤中弹簧。具有稳定。具有稳定的载荷的载荷-变形性能。变形性能。二、二、弹簧的分类弹簧的分类弹簧弹簧 圆柱螺旋弹簧圆柱螺旋弹簧 圆锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧 按形状分按形状分 按受载分按受载分 拉伸弹簧拉伸弹簧 压缩弹簧压缩弹簧 扭转弹簧扭转弹簧 蝶形弹簧蝶形弹簧 环形弹簧环形弹簧 弯曲弹簧弯曲弹簧 弹簧特性曲线：弹簧的载荷弹簧特性曲线：弹簧的载荷(F、T)-变形变形( 、 )曲线曲线 常用金属弹簧类型、特性曲线、特点和应用见表常用金属弹簧类型、特性曲线、

3、特点和应用见表16-116-2 弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造一、一、弹簧的材料和许用应力弹簧的材料和许用应力1. .材料要求材料要求屈服极限屈服极限疲劳极限疲劳极限冲击韧性冲击韧性良好的热处理良好的热处理2. .常用材料常用材料碳素弹簧钢碳素弹簧钢锰弹簧钢锰弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢常用金属弹簧材料的性能，见表常用金属弹簧材料的性能，见表16-2、16-3。3. .选择原则选择原则功能及重要程度功能及重要程度工作条件工作条件载荷的性质和大小载荷的性质和大小加工工艺和热处理加工工艺和热处理经济性经济性二、圆柱螺旋拉压二、圆柱螺旋拉压弹簧的制造和端部结构弹簧的制造和端部结构

4、1. .制造工艺过程制造工艺过程(a) 卷绕卷绕冷卷冷卷：直径小于：直径小于810mm，常温下卷成，只进行，常温下卷成，只进行回火回火处理，以消除内应力。处理，以消除内应力。热卷热卷：直径较粗，热卷温度一般在：直径较粗，热卷温度一般在8001000, 然然后进行后进行淬火淬火及及回火回火处理。处理。(b) 两端面加工两端面加工(压缩弹簧压缩弹簧)或制作挂钩或制作挂钩(拉伸弹簧拉伸弹簧)(c) 热处理热处理(d) 工艺试验工艺试验必要时，强压或喷丸必要时，强压或喷丸2. .端部结构端部结构见表见表16-4最小工作载荷最小工作载荷Fmin ,最小变最小变形形 min； 最大工作载荷最大工作载荷Fm

5、ax最小变形最小变形 min。 Fmin=(0.30.5)Fmax在在Fmax的作用下，的作用下， max 极限载荷极限载荷 Flim，极限变形，极限变形 lim。 Flim可根据可根据 lim求出。求出。一般取一般取Fmax 0.8Flim lim max min FF FminminF Fmaxmax自由高度自由高度H0H1H2HlimFminFmaxFlim一一. 特性曲线特性曲线16-3 拉伸拉伸(压缩压缩)弹簧弹簧的设计计算的设计计算 1. 压缩特性曲线压缩特性曲线2.拉伸弹簧的特性曲线拉伸弹簧的特性曲线(a) 没有预应力没有预应力:特性曲线通特性曲线通过坐标原点过坐标原点(卷绕时，

6、在弹卷绕时，在弹簧中没有产生的预应力簧中没有产生的预应力)F FminminF FminminF FmaxmaxF FmaxmaxF F FlimlimF Flimlim minFmin max limFmaxFlimH0H1H2Hlim2.拉伸弹簧的特性曲线拉伸弹簧的特性曲线F FminminF FminminF FmaxmaxF FmaxmaxF F FlimlimF Flimlim minFmin max limFmaxFlimH0H1H2HlimF0(b) 有预应力有预应力:特性曲线没有特性曲线没有通过坐标原点通过坐标原点(卷绕时，在卷绕时，在弹簧中产生的预应力弹簧中产生的预应力)弹簧

7、中径弹簧中径D2，弹簧丝的直径，弹簧丝的直径d，轴线作用力为，轴线作用力为F。弹簧受轴向载荷弹簧受轴向载荷F时，作用在轴向截面时，作用在轴向截面A-A上的力有：上的力有：轴向力轴向力F，扭矩，扭矩T=FD2/2。 二、强度和刚度计算二、强度和刚度计算1. 弹簧中的应力弹簧中的应力F A-AT d d B-BTF D2/2BBFFFF”AAT设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云232218DddFDT已知条件如图已知条件如图D2dTFF22FDTF扭矩：剪切力：截面受力：截面受力：剪切应力：剪切应力：扭剪切应力：扭剪切应力：24dF23248dFdFDFFTWT16232dDF328dFD D2

8、 /2弹弹簧簧轴轴线线 d D2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d ” F” D2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d 设计：潘存云设计：潘存云1.61.51.41.31.21.11.0C=D2 /d曲度系数曲度系数K3 4 5 6 7 82010121416918-弹簧的曲度系数弹簧的曲度系数 强度条件强度条件：dDC2令CdFC5 .018282dFCK截面总切应力：截面总切应力： d” 未考虑簧丝曲率的应力d” CCCK615.04414其中设计公式：设计公式：6.1KFCd 2FDTF2：扭扭矩矩剪剪切切力力截面受力：截面受力：剪切应力剪切应力扭切应力扭切应力22d4F )Dd(dFD23221218321d8FD 总应力总应力dDC2令令C0.51d8FC2 FTT T D2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d TF FD2 /2弹弹簧簧轴轴线线 d FD2 /2 d 修正修正 FT TC-旋绕比，或弹簧指数。旋绕比，或弹簧指数。若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响:22dFCKdFCC4C4C88)0.61541(K为弹簧的曲度系数为弹簧的曲度系数 2. 强度条件强度条件8dFCK2设计公式设计公式KFC1.6d 强度校核条件强度校核条件