《机械设计基础》-第11章

第11章弹簧

弹簧是广泛应用于各种机械中的一种弹性元件。它可以在外载荷作用下，产生较大的弹性变形并吸收一定的能量，当外载荷卸除后，弹簧又能迅速地恢复原来的形状，并释放出吸收的能量。返回11.1弹簧的功用和类型11.1.1弹簧的功用

(1)缓冲和减振。例如，电梯、车辆中的缓冲弹簧，精密设备中的隔振弹簧等，图11-1所示为汽车上的减振弹簧。

(2)控制运动。例如，凸轮机构、离合器、阀门及各种调速器中的控制弹簧，打字机中的复位弹簧等，图11-2所示为安全阀中的弹簧。下一页返回11.1弹簧的功用和类型(3)储存能量。例如，仪表、机械式钟表和玩具中的弹簧，武器发射机构中的弹簧等，图11-3所示为钟表发条。

(4)测量力或力矩。例如，弹簧秤、测力器中的弹簧等，图11-4所示为弹簧秤中的弹簧。下一页返回上一页11.1弹簧的功用和类型11.1.2弹簧的类型按制造材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。按所承受的载荷不同，可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、弯曲弹簧4种类型。按弹簧的形状不同，可分为圆柱形螺旋弹簧、圆锥形螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、平面涡卷弹簧(亦称盘簧)和板弹簧等类型。按弹簧承载性质，又可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。常用金属弹簧的主要类型、简图、特点和应用见表11-1。下一页返回上一页11.1弹簧的功用和类型

除上面介绍的常用金属弹簧外，有些非金属弹簧如橡胶弹簧[图11-5(a)]、空气弹簧[图11-5(b)]等在减振、隔声方面明显优于金属弹簧，因此非金属弹簧在现代机械工业中的应用也日益广泛。返回上一页11.2弹簧的材料和制造11.2.1弹簧的常用材料及许用应力弹簧在工作时常受到变载荷或冲击载荷的作用，其破坏形式主要是疲劳破坏。为了使弹簧能保证持久可靠地工作，所选择的材料应具有足够的屈服极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理性。常用的金属弹簧材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料等。选择材料时，应根据弹簧的功用、重要程度、工作条件、加工、热处理及经济性等诸多因素来选取不同的材料。常用弹簧材料的性能、用途及许用应力见表11-2。返回下一页11.2弹簧的材料和制造

计算许用应力时，应注意圆柱形螺旋弹簧所受的载荷应按以下3类计算。

Ⅰ类——受变载荷作用次数在106次以上的或重要的弹簧，如内燃机弹簧，电磁制动器弹簧。

Ⅱ类——受变载荷作用次数在103~106次范围内及承受冲击载荷的弹簧，如一般车辆弹簧等。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造Ⅲ类——受变载荷作用次数在103次以下和受静载荷的一般弹簧。如安全阀弹簧等。碳素弹簧钢丝按用途分为B、C、D3级，分别适用于低、中、高3种应力情况，其抗拉强度,与弹簧级别和弹簧钢丝直径有关，具体数值如表11-3所示。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造11.2.2弹簧的制造和制造精度

1.螺旋弹簧的制造工艺

(1)卷绕。

(2)两端部加工。对于压缩弹簧可将其端面磨平;对于拉伸和扭转弹簧，两端应制作挂钩或杆臂。

(3)热处理。

(4)工艺试验。必要时还要进行强压处理或喷丸处理。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造

卷绕是将合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在心轴上。单件小批量生产时，常在车床上或手动卷绕;大批量生产时，可在自动卷簧机上进行无心卷绕。卷绕有冷卷法和热卷法。当弹簧钢丝直径小于8~10mm时常采用冷卷法。冷卷时，将已经经过热处理的碳素弹簧丝在常温下卷成，一般不再淬火，只进行回火处理，以消除内应力。弹簧钢丝直径较粗时，常采用热卷法。热卷时，热卷温度根据弹簧钢丝直径，一般在800~1000的范围内选择，卷成后再进行淬火及回火处理，对弹簧的热处理是为了让弹簧达到或接近最佳的力学性能指标，从而保证其长期可靠地工作，热处理后的弹簧表面不应出现显著的脱碳层。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造

工艺实验的目的是检查热处理效果和弹簧的缺陷(裂纹、伤痕和脱碳现象等)。弹簧丝的表面状况直接影响弹簧的持久强度和抗冲击强度，故弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击性能。强压处理是使弹簧在超过极限载荷作用下持续6~48h，以便使弹簧丝截面的表层高应力区产生塑性变形和有益的与工作应力反向的残余应力，使弹簧在工作时最大应力下降，从而提高弹簧的承载能力。但用于长期振动、高温或腐蚀性介质中的弹簧，不宜进行强压处理。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造

喷丸处理是在热处理后用钢丸或砂子高速喷射弹簧表面，使其表面受到冷作硬化，产生有益的残余压应力，改善弹簧表面质量，因此是提高疲劳强度和冲击韧性的有效措施。实践表明，弹簧经喷丸处理后，可提高疲劳强度达50%。对于重要用途的弹簧还需进行如镀锌等表面保护处理，普通弹簧一般进行涂漆处理。返回下一页上一页11.2弹簧的材料和制造2.弹簧的制造精度弹簧的制造精度，按受力后变形量公差分为3个级，如表11-4所示，一般可选2级精度。返回上一页11.3圆柱形螺旋弹簧11.3.1圆柱形螺旋弹簧的端部结构

1.圆柱形压缩螺旋弹簧

图11-6所示为常用的圆柱形压缩螺旋弹簧端部的结构形式，YⅠ型为两端面与邻圈并紧且磨平(图11-6);YⅡ型主要用于受交变载荷或对垂直度要求较高的重要弹簧;YIII型则主要用于弹簧直径较大的次要弹簧。下一页返回11.3圆柱形螺旋弹簧2.圆柱形拉伸弹簧

图11-7所示为常用的圆柱形拉伸螺旋弹簧端部的结构形式。拉伸弹簧在卷绕时，各圈互相并拢，且在端部有挂钩供安装和加载用。LⅠ型的钩环由弹簧直接弯绕而成，见图11-7(a)，这种弹簧主要用于弹簧丝直径d≤10mm的不重要场合;LⅡ型的钩环由弹簧直接弯绕而成，见图11-7(b)，这种弹簧亦用于弹簧丝直径d≤10mm的不重要场合;LⅦ型与Ⅷ型的挂钩不与弹簧丝连成一体，挂钩可任意转动，见图11-7(c)、(d)。LⅦ型可调节弹簧长度，但结构复杂，主要用于弹簧丝较粗、受载大的场合;LⅧ型的挂钩弯曲应力小，适用于冷卷弹簧。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧11.3.2圆柱形螺旋弹簧的参数和几何尺寸计算

1.圆柱形螺旋弹簧的参数圆柱形螺旋弹簧的主要参数有弹簧丝直径d、弹簧中径D2、工作圈数n、弹簧节距p、螺旋升角a及旋绕比C，如图11-8所示。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

旋绕比，它是弹簧的主要参数之一它不仅影口向弹簧的刚度、稳定性，还影响弹簧制造的难易程度。设计时，一般推荐取4≤C≤16，常用的值为5~8，选择时可参阅表11-5。

2.圆柱形螺旋弹簧的几何尺寸计算圆柱形螺旋弹簧的几何尺寸计算公式见表11-6。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧11.3.3圆柱形螺旋弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线是指弹簧所受的载荷和弹簧产生相应变形关系的曲线，如图11-9(b)和图11-10(b)、(c)所示。图中纵坐标表示弹簧所受的载荷，横坐标表示弹簧产生的变形。弹簧特性曲线是弹簧设计和制造过程中检验或试验的重要依据，需要绘在弹簧的工作图上。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧1.压缩弹簧的特性曲线

图11-9(b)所示为压缩螺旋弹簧的特性曲线，见图11-9,H0为弹簧没受外力时的自由长度。弹簧在工作前，常预受一压缩力Fmin，称为最小载荷，也可称为安装载荷，弹簧在最小载荷作用下可靠地稳定在安装位置上，这时弹簧的长度为H1，此时相应的压缩变形量为。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

当弹簧受最大的工作载荷Fmax时，弹簧的工作长度减至H2，其相应的压缩变形量增至。弹簧的工作长度为弹簧的极限载荷，在该力作用下，弹簧丝的应力达到了材料的弹性极限，此时弹簧的长度被压缩到H3，压缩变形量为。设计时，压缩弹簧的最大工作载荷应小于极限载荷，常取Fmax

≤0.8Flim

，最小工作载荷常取Flim=(0.1~0.5)Fmax

。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧2.拉伸弹簧的特性曲线图11-10(b)所示为拉伸螺旋弹簧没有受初拉力的特性曲线，11-10(c)所示为拉伸螺旋弹簧受初拉力F0的特性曲线。有初拉力的拉伸弹簧产生相应的预变形x。在同样的载荷F作用下，有初拉力的拉伸弹簧产生的变形要比没受初拉力的弹簧产生的变形要小。初拉力F0的选择，当旋绕比C≤10时，F0=(0.2~0.3)Flim;当旋绕比C>10时，F0=(0.1~0.2)Flim。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧3.弹簧强度和刚度计算在设计圆柱螺旋弹簧时，通常根据强度准则确定弹簧的直径D和弹簧丝的直径d，根据刚度准则确定弹簧的n。由于圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的额定工作载荷均沿弹簧的轴线作用，因此它们的应力和变形计算是相同的。下面以螺旋圆柱压缩弹簧为例进行分析。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧(1)弹簧中的应力

图11-11所示为圆柱螺旋压缩弹簧，其中径为D2。在通过其轴线的剖面上，直径为d的弹簧丝剖面是椭圆形的。由于螺旋升角很小(a≤9°)，工程上可以近似地看作圆剖面。把弹簧的轴向载荷F移到这个剖面，剖面上作用有转矩和剪切力F。剪切力F所引起的剪切应力和转矩T所引起的最大剪切应力分别为下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

所以，弹簧丝剖面上的最大剪切应力为

C称为弹簧指数(又称为旋绕比)，所以

最大剪切应力发生在弹簧丝的内侧处，如图11-11所示。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

如果考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，可以对上式进行修正，可以得到比较精确的计算公式，即

下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧(2)强度条件弹簧的强度条件为

所以可以得到设计公式为

下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

在应用上式时，一般弹簧指数C≥4，不同弹簧丝直径推荐使用的弹簧指数如表11-7所示。弹簧指数C是弹簧设计中的重要参数。C值太大，弹簧过软(刚度小)，易颤动;C值太小，弹簧过硬(刚度大)，卷绕时簧丝弯曲剧烈。C值范围为4~16，常用值为5~8，设计时可以根据簧丝直径从表中选取。弹簧指数C和许用剪切应力均与簧丝直径d有关，所以必须通过试算才能选择合适的簧丝直径。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧(3)刚度条件根据材料力学中的有关公式求得圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的轴向变形λ为

式中n——弹簧的工作圈数;G——弹簧材料的剪切弹性模量，MPa(钢G=8×104;铜G=4×104)。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧

弹簧刚度k是弹簧的主要参数之一，它表示弹簧单位变形所需要的力:

刚度越大，需要的力越大，弹簧的弹力也就越大。从而可以得到弹簧圈数为

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对于拉伸弹簧总圈数大于20圈时，一般圆整为整圈数，小于20圈时可以圆整为0.5圈。对于压缩弹簧，总圈数的尾数宜取0.25、0.5或整数。有效圈数通常圆整为0.5的整倍数，并且大于2才能保证弹簧具有稳定的性能。若计算的n与0.5的倍数相差较大时，应在圆整后再计算弹簧的实际长度。弹簧总圈数、有效圈数的关系可以根据GB1239.6-92确定。压缩弹簧可以根据已知条件首先选择标准弹簧(GB/T1358-1993或有关手册)，当无法选择时再自行设计。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧(4)弹簧的设计示例设计弹簧时，通常是根据弹簧的最大工作载荷、最小工作载荷及其相应的变形，结构尺寸的限制和工作条件等，确定弹簧丝的直径、工作圈数、弹簧中径等尺寸。弹簧的设计步骤:①根据工作条件，选择弹簧材料，并查出其力学性能数据。②参照刚度要求，选择弹簧指数C。根据结构尺寸的要求初定弹簧的中径，估取弹簧丝直径，查出许用应力。③按强度条件确定所需弹簧丝直径。下一页返回上一页下一页上一页11.3圆柱形螺旋弹簧④按刚度条件确定弹簧工作圈数。⑤计算弹簧的其他尺寸。