北工大机械设计课件第16章 弹簧

第十六章

弹

簧弹簧是内燃机设计中常遇到的一种弹性元件。例：气门弹簧，主离合器弹簧，制动器，气动、液压装置的各种控制阀（压力阀、电磁阀、安全阀）弹簧等。

要求掌握弹簧的设计方法。16-1弹簧的功用和类型弹簧特点：刚性小、弹性大。（受力后得到很大的弹性变形，外力消失后，变形即消失，能恢复原状。）1、减振和缓冲：车身弹簧、缓冲器弹簧；2、测量力的大小：弹簧称；3、贮存及输出能量：钟表、仪表弹簧；4、控制机构的运动：安全阀、离合器。一、弹簧的功用二、弹簧的类型1、按承受的载荷不同分：拉伸、压缩、扭转、弯曲；2、按形状不同分：螺旋、环形、碟形、盘簧、板簧。最常用的为圆柱形螺旋弹簧。本章仅介绍该弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。16-2螺旋弹簧的制造、材料及许用应力一、制造螺旋弹簧的卷制方法：分为冷卷、热卷两种。1、冷卷法：d<(8~10)mm的碳素弹簧钢丝（经预先热处理后的冷拉钢丝）。冷卷—低温回（消除内应力）2、热卷法：d>(8~10)mm的碳素弹簧钢丝或合金钢丝（太硬）。

热卷—淬火—回火强压处理：一般可提高承载能力20

。喷丸处理：变载荷弹簧可提高承载能力30~50

，提高使用寿命2~2.5倍。二、材料及许用应力要求：弹性极限、疲劳极限高，具有足够的韧性和塑性，可热处理性好。常用弹簧材料：工艺试验：按技术要求进行精度、冲击、疲劳试验。注意：簧丝表面必须光洁，无裂纹、伤痕，表面脱碳，否则会影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。1、碳素弹簧钢分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅳ

四组，Ⅰ组强度高，Ⅱa比

Ⅱ有更好的塑性。优点：价格便宜，材料来源方便。缺点：弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，

不能在高于120

C条件下工作。2、低锰弹簧钢（如

65Mn）优点：淬透性好，强度高，价格便宜。用于尺寸

不大的一般机械的弹簧。缺点：淬火后易产生裂纹及热脆性。3、硅锰弹簧钢（如

60Si2Mn）钢中加入了硅可显著提高弹性极限，提高回火稳定性，但含硅量高时，表面易于脱碳，而锰的脱碳性小，故钢中加入硅、锰这两种元素。用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。4、铬钒钢（如

50CrVA）

钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性,该材料耐疲劳,抗冲击性能良好,能在

–40~350

C下工作，但价格较贵。用于航空发动机，如柱塞油泵弹簧。5、其它材料不锈钢、青铜：防腐、防磁、导电性（用于化工设备、腐蚀性介质中）。弹簧材料的许用应力：载荷性质不同、重要性不同，则安全系数亦不同。分成三类：Ⅰ类：受变载荷作用次数在106以上的重要弹簧。（气门弹簧、制动弹簧）Ⅱ类：受变载荷作用次数在103~105以上或受冲击

载荷的弹簧。（调速器弹簧、车辆弹簧）Ⅲ类：受变载荷作用次数在103以下（静载荷）的弹簧。（安全阀弹簧、离合器弹簧）16-3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算一、几何参数及特性曲线1、压缩弹簧死圈：弹簧端部只起支承作用，不参与变形的圈。当n(工作圈数)

7时，为

0.75圈；n>7时，为1~1.75圈（每端）按端部结构分：YⅠ

：并紧并磨平。YⅢ

：并紧不磨平。YⅡ

：并紧，锻平（热卷）

亦可磨平。重要场合：

YⅠ型，保证垂直。磨平长度

3/4圈，端头厚度

d/8，端面光洁度

3结构尺寸：d—弹簧直径，（关键尺寸）d

,强度

。D2—中径

D2=C

dC—弹簧指数

C

=D2/dD

—外径

D

=D2+dD1—内径

D1=D2–d

—轴向间隙

=t–dn—工作圈数（有效圈数）

n

2

n1—总圈数

n1=n+(2~2.5)冷卷

n1=n+(1.5~2)YI型热卷，推荐n1尾数为1/2圈一般：d

0.5mm可不磨平，

d>0.5mm可磨平。t—节距两端磨平两端不磨平H0—自由高度两端磨平两端不磨平b—压缩弹簧细长比b在1~5.3范围取

—螺旋角一般为右旋,推荐

=5

~9

L—展开长度特性曲线：为保证弹簧具有弹性，即不产生永久变形，弹簧应在弹性极限内工作。特性曲线—表示载荷P与变形

的关系曲线.Pmin—最小工作载荷（使弹簧可靠地安装），亦称

安装载荷。一般

Pmin=(0.1~0.5)PmaxPmax—最大工作载荷（达到或接近许用应力值）。Plim—极限载荷（达到材料的弹性极限）。H1、

H2、

H3—三种载荷下对应的弹簧高度。

min、

max、

lim

—三种载荷下对应的

压缩变形量。h—弹簧的工作行程

h=

max–

min特性曲线：i.必须画在弹簧工作图上，

作为检验和试验的依据。ii.弹簧设计时，必须利用

的关系。2、拉伸弹簧拉伸弹簧空载时各圈相互并紧（即

=0）。端部制有挂钩，以便安装及加载。挂钩形式：LI、LII型：制造方便，但过渡处弯曲应力很大。

广泛应用于d

10mm的弹簧中。LⅦ、Ⅷ

型：结构合理，弯曲应力小。

用于受力较大的弹簧。几何参数：主要参数：

d，D2=C

d，n=n1其它参数：

D，D1，

=0，t=d，H0，

，L特性曲线：无初应力的拉伸弹簧：特性曲线同压缩弹簧。有初应力的拉伸弹簧：当承受载荷时，首先要克服假想变形量

x，弹簧才开始伸长。一般取

P0=(0.75~0.85)Pmin二、螺旋弹簧受载时的应力及变形1、应力拉伸弹簧与压缩弹簧在轴向载荷

P作用下，弹簧丝的受力情况是完全一样的，下面仅分析压缩弹簧的受力情况。沿弹簧轴线切开，弹簧丝截面—椭圆。∵螺旋升角

=5°~9°，很小，∴近似—圆形。将轴向载荷P向剖面中心简化。剪力

P引起

剪应力扭矩

（主要）

扭剪应力叠加后内侧（m）最大应力为：引进补偿系数（曲度系数）K：考虑升角

及曲率对弹簧丝中应力的影响，忽略

P的

影响。弹簧丝内侧最大应力：

2、变形由材料力学得到弹簧受轴向载荷P后，轴向变形量

为：则当Pmax作用下的最大轴向变形

max为：i.对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：ii.对于有预应力的拉伸弹簧：式中：初应力

推荐初应力

0'

由图16-9选取。3、弹簧刚度：表示使弹簧产生单位变形所需的力。

（主要参数）kP

，所需的力

，弹簧的弹力

。影响kP的因素：

kP∝1/C3合理选择C以控制kP

，即控制弹簧的弹力，此外还有G，d，n等因素。三、承受静载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计静载荷的弹簧：应力循环次数在103以下，（如安全阀门、离合器弹簧）。已知：Pmax

max

结构要求（如安装空间限制等）。设计步骤：1选择材料；2选择弹簧指数C，计算补偿系数K；

一般取C=5~8（不超过4~16）

计算3根据安装空间设计弹簧中径D2，估计弹簧丝直径

d=D2/C并由表16-2，取许用应力。4试算弹簧丝直径d'：

如d'与估计的d相差太远时，应重选d

[

]

d'5根据变形条件求弹簧工作圈数

n：

拉伸弹簧：

压缩弹簧：6求弹簧的尺寸D，D1，H0，检查是否符合安装要

求等，不符合则改选参数（C值），重新设计。7验算稳定性

当压缩弹簧长度较大时（一般用细长比b=H0/D2

表示）受力后容易失去稳定性。

要求：当两端固定时：b<5.3

当一端固定，另一端自由转动时：

b<3.7

当两端自由转动时：

b<2.6

当大于上述数值时，应进行稳定性验算。

PC=CukPH0>Pmax式中：Pc—临界载荷；

Cu—不稳定系数

查图16-11；如Pc<Pmax时，应采取以下措施：i.改变b值，提高Pc值，以保证弹簧的稳定性；ii.加装导杆或导套。8弹簧的结构设计。按表16-4计算出全部尺寸。9绘制弹簧工作图。四、承受变载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的

设计对于承受变载荷的重要弹簧，除按Pmax，

max进行设计外，还应进行强度验算及振动验算。1强度验算

对于N>103的变载荷重要弹簧：进行疲劳强度安全

系数计算;

对于N<103的变载荷重要弹簧：进行静强度安全系

数计算。1)疲劳强度验算弹簧在变载荷作用下的应力变化状态,如图16-12所示。式中：

0—弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限；疲劳强度的安全系数nca’可按下式近似计算：2）静强度验算式中：

s

—材料的剪切屈服极限；

ns—设计安全系数，同疲劳强度验算时