第十五章　弹簧设计

机械设计教程第3版机械工业出版社第十五章弹簧设计第一节概述

第二节弹簧的材料、选材与制造第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算第五节圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算第六节受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算第七节其他类型弹簧简介

第一节概述

一、弹簧的功用弹簧是一种弹性元件,在载荷作用下能产生较大的弹性变形。弹簧在各类机器中的应用十分广泛,其主要功用是:1)吸收振动和缓和冲击。用弹簧吸收冲击和振动时的能量,如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等。2)控制机械的运动。用弹簧力来控制运动,如离合器中的控制弹簧(图15-1a)、内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧等。3)储存能量。用弹簧的变形能来储存能量,如机械式钟表弹簧(图15-1b)、枪栓弹簧等。4)测量力的大小。用弹簧的载荷-变形性能测量载荷,如弹簧秤和测力器中的弹簧等。第一节概述

一、弹簧的功用图15-1弹簧应用示例a)离心离合器b)钟表发条第一节概述

二、弹簧的类型弹簧的类型很多,根据受载的性质,弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。根据弹簧的形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、涡卷弹簧和板弹簧。此外,除金属弹簧之外,还有空气弹簧和橡胶弹簧等。表15-1列出了各种常用弹簧的基本形式。螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的,由于制造简便,价格较低,易于检测和安装,所以应用最广。它既可以制成圆柱形和圆锥形,又可以制成受压缩载荷作用的压缩弹簧、受拉伸载荷作用的拉伸弹簧,还可以制成承受转矩作用或完成扭转运动的扭转弹簧,见表15-1。碟形弹簧和环形弹簧刚性较大,可以承受很大的冲击载荷,具有良好的吸振能力,常用于各种缓冲装置中。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方,可以采用碟形弹簧。环形弹簧是目前减振缓冲能力最强的弹簧,常用于近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中。平面涡卷弹簧轴向尺寸小,能在较大的变形范围内保持作用力不变,常用于仪器和钟表的储能装置中。板弹簧能承受较大的弯曲作用,常用于受载方向尺寸有限而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力,所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。由于圆柱形螺旋弹簧应用较广,尤以螺旋压缩弹簧的受力分析和设计计算都比较典型,所以本章主要讨论圆柱形螺旋压缩弹簧。关于其他类型弹簧,读者可参考文献[19]。第二节弹簧的材料、选材与制造一、弹簧的材料弹簧在工作时,常常承受交变载荷和冲击载荷,又要求有较大变形,所以为了保证弹簧能够可靠地工作,其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外,还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧度、塑性和良好的热处理工艺性等。表15-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢,其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。表15-3给出了弹簧钢丝的抗拉强度。第二节弹簧的材料、选材与制造一、弹簧的材料第二节弹簧的材料、选材与制造一、弹簧的材料第二节弹簧的材料、选材与制造一、弹簧的材料第二节弹簧的材料、选材与制造二、材料的选择选择弹簧材料时,要充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件,以及加工、热处理和经济性等因素,以便使选择结果与实际要求相吻合。碳素弹簧钢强度高,性能好,价格低,常用在静载或重要性低的变载条件下。合金钢弹簧多用在承受变载荷、冲击载荷或要求耐高温、耐腐蚀的场合。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等时,可以采用有色金属弹簧。此外,还可用非金属材料制作弹簧,如橡胶、塑料、软木及空气等。第二节弹簧的材料、选材与制造三、弹簧的制造螺旋弹簧的制造工艺过程如下:①绕制。②钩环制造。③端部的制作与精加工。④热处理。⑤工艺试验等。重要的弹簧还要进行强压处理。弹簧通常用卷制成形方法制造,其绕制方法分冷卷法与热卷法两种。当弹簧丝直径d≤8mm时用冷卷法绕制,冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝,卷绕后一般不再进行淬火处理,只需低温回火以消除卷绕时的内应力。当弹簧丝直径较大(d>8mm)时则要用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧,卷好后要进行淬火和回火处理。弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大程度上取决于弹簧的表面状况,所以弹簧丝表面必须光洁,没有裂缝和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性能,因此,脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收弹簧的技术条件中详细规定。对于重要的弹簧,还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。第二节弹簧的材料、选材与制造三、弹簧的制造为了提高弹簧的承载能力,可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理(受载6~48h),以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力,由于残余应力的符号与工作应力相反,因而弹簧在工作时的最大应力(图15-2)比未经强压处理的弹簧小。一般经过一次强压处理的弹簧其承载能力可提高约25%;若经喷丸处理可提高20%。但须注意,强压处理是弹簧制造的最后一道工序。为了保持有益的残余应力,强压处理后不应做其他热处理,否则会使强压处理失去意义。在高温、长期振动或有腐蚀性介质中工作的弹簧,也不宜采用这种强化工艺。图15-2强压处理弹簧丝的应力分布示意图a)残余应力分布b)工作应力分布第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度一、弹簧的参数及几何尺寸如图15-3所示,圆柱弹簧的主要尺寸有:弹簧丝直径d、弹簧外径D2、弹簧内径D1,弹簧圈中径D,节距t、螺旋升角α、自由高度H0和有效圈数n等。图15-3圆柱弹簧的几何参数第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度一、弹簧的参数及几何尺寸弹簧设计中,旋绕比(或称弹簧指数)C是最重要的性能参数之一,它等于弹簧中径D与弹簧丝直径之比,即C=D/d,亦称弹簧指数。弹簧指数越小,其刚度越大,弹簧越硬,弹簧内外侧的应力相差越大,材料利用率低;反之弹簧越软。设计时,常使弹簧指数C值在4~10之间,可参考表15-4选取。第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度一、弹簧的参数及几何尺寸

第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度一、弹簧的参数及几何尺寸第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度二、弹簧特性曲线表征弹簧载荷F、T与其变形λ之间关系的曲线,称为弹簧特性线。受压或受拉的弹簧,载荷指压力或拉力,变形是指弹簧压缩量或伸长量;受扭转的弹簧,载荷是指转矩,变形是指扭转角。按照结构形式不同,常见的弹簧特性曲线如图15-4所示。其中,图15-4a所示为直线型;图15-4b所示为刚度渐增型;图15-4c所示为刚度渐减型;图15-4d所示为混合型。弹簧的特性曲线应绘制在弹簧零件图上,作为检验与试验的依据之一。同时还可在设计弹簧时,利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。图15-4弹簧特性曲线第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度三、弹簧刚度

第三节弹簧的参数、特性曲线与刚度三、弹簧刚度实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率。符合图15-4a所示的直线型弹簧,其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡,弹簧刚度相应越大,即弹簧越硬;反之则越软。图15-4b所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型,即弹簧随变形量的增大其刚度越大。例如车辆缓冲减振弹簧,希望在车辆重载与轻载时,均具有差不多的自振频率;且在载荷最大或受冲击载荷作用时,仍具有较好的缓冲减振性能,故多使用具有该型特性曲线的弹簧。图15-4c所示弹簧特性曲线为刚度渐减型,即弹簧刚度随变形的增大而减小。为了在冲击动能一定时,获得较小的冲击力,应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧(直线型特性线)和变刚度弹簧(曲线或折线型特性线),受动载荷或冲击载荷作用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算弹簧设计的任务包括选择材料、确定弹簧丝直径、弹簧圈数、变形量、结构尺寸和必要的工作性能计算等。一、弹簧的受力当压缩弹簧受到轴向载荷F作用时,如图15-5所示,在弹簧丝任何横断面上将作用有:转矩T=FRcosα,弯矩M=FRsinα,切向力Q=Fcosα和法向力N=Fsinα(式中R为弹簧的平均半径)。由于弹簧的螺旋升角α一般均较小(对于压缩弹簧α<10°),故弯矩M和法向力N可以忽略不计。因此,在弹簧丝横断面上起主要作用的外力是转矩T和切向力Q。α值较小时,cosα≈1,可取T=FR和Q=F。这种简化对于计算的准确性没有多大影响。当拉伸弹簧受轴向拉力F时,弹簧丝横断面上的受力情况和压缩弹簧相同,只是转矩T和切向力Q的方向与压缩弹簧的相反。第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算一、弹簧的受力图15-5压缩弹簧的受力分析a)受力分析b)B—B截面c)应力分析第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算二、弹簧丝直径的计算

第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算三、弹簧圈数及刚度的计算

第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算四、稳定性计算

第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算四、稳定性计算图15-6弹簧失稳现象及防止措施a)失稳b)加装导杆c)加装导套第四节圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算四、稳定性计算图15-7不稳定系数1—两端固定2—一端固定3—两端自由旋转第五节圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算一、无初拉力的拉伸弹簧设计无初拉力的拉伸弹簧除了不需进行稳定性计算外,其他如簧丝直径计算等均与压缩弹簧相同,但考虑到钩环弯曲对应力的影响,往往将许用应力降低20%。二、有初拉力的拉伸弹簧计算

第六节受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧,应进行疲劳强度验算。当应力循环次数不多或应力变化幅度较小时,应进行静强度验算。当上述两种情况不能明确区分时,则应同时进行这两种强度的验算。第六节受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算一、疲劳强度验算

第六节受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算二、静强度验算

第七节其他类型弹簧简介一、圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧(表15-1)承受扭转载荷,具有线性特性曲线。圆柱形扭转弹簧常做成螺旋形,在自由状态下,弹簧圈之间不并紧,各圈间留有少量间隙,否则工作时各圈间将相互摩擦并产生磨损。圆柱螺旋扭转弹簧的设计基本上与圆柱压缩(拉伸)螺旋弹簧相似。圆柱螺旋扭转弹簧主要用于压紧和蓄力以及传动系统中的弹性环节等,使用较为广泛,如门窗铰链弹簧和汽车起动装置弹簧等。第七节其他类型弹簧简介二、环形弹簧环形弹簧是由带有内锥面的外圆环和带有外锥面的内圆环配合而成的(表15-1),内、外圆环的对数根据载荷的大小及变形量的要求决定。当弹簧受轴向载荷时,内、外圆环的接触面间将产生很大的法向压力,使内圆环直径减小,外圆环直径增大。由于内、外圆环直径改变,使弹簧产生了轴向位移。当载荷取消后,弹簧又在弹性内力的作用下恢复原来的尺寸。环形弹簧是一种强力弹簧,承载能力大,具有较强的迟滞作用,缓冲吸振能力强,因此常用于车辆的缓冲装置、火炮和飞机起落架等的缓冲装置中。第七节其他类型弹簧简介三、碟形弹簧碟形弹簧具有截圆锥外形(表15-1),是用薄钢板冲压而成的。实用中一般是将多个碟形弹簧组合起来,并装在导杆或套筒中工作,而且碟形片采用不同的组合可以得到不同的特性曲线。碟形弹簧加载与卸载的特性曲线不重合,在工作过程中有能量消耗,因此