机械设计 课件 第14章 弹簧

第14章

弹簧本章提要下一页退出总目录弹簧是一种具有缓冲、减振、运动控制、储存能量及测量力和力矩等功能的机械零（部）件之一。弹簧的材料、许用应力和制造，圆柱压缩螺旋弹簧的结构和尺寸，圆柱压缩螺旋弹簧的设计计算。重点：弹簧的特点、类型、强度分析及设计计算目录14.1概述14.2弹簧的材料、许用应力和制造14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的结构和尺寸14.4圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算14.1概述14.1.1

弹簧的功用承受载荷时能随载荷的大小产生相应大小的弹性变形，将机械功或动能转化为变形能载荷卸除后能迅速恢复原状，将变形能转化为机械功或动能①缓和冲击,减小振动：缓冲弹簧、减振弹簧②控制机构运动：内燃机阀门控制弹簧、离合器和制动器控制弹簧③储存及输出能量：钟表、仪器和仪表中弹簧④测量力或力矩大小：弹簧秤和测力器中弹簧14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性弹簧刚度k

(N/mm)弹簧的特性线特性线：直线型、刚度渐增型、刚度渐减型、刚度混合型14.1概述类型：

材料—金属弹簧、非金属弹簧形状—螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧承载—拉伸、压缩、扭转、弯曲弹簧14.1.2

弹簧的类型和特性1.受扭转剪应力的弹簧1）圆柱形螺旋弹簧圆柱形压缩螺旋弹簧

圆柱形拉伸螺旋弹簧特性线为直线型刚度稳定，结构简单，制造方便，用于承受压缩和拉伸载荷14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性1.受扭转剪应力的弹簧2)变节距圆柱形压缩螺旋弹簧

特性线由线性渐变为非线性随载荷增大，弹簧圈从小节距依次逐渐并紧，刚度逐渐增大自振频率为变值，可防止和消除共振现象多用于高速、变载荷的机构中14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性1.受扭转剪应力的弹簧2)圆锥形压缩螺旋弹簧

特性线渐增型随载荷增大，弹簧从大圈到小圈逐渐并紧，刚度逐渐增大稳定性好，结构紧凑，防共振能力强适用于承受较大轴向压力和减振14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性2.受扭转剪应力的弹簧1)圆柱形扭转螺旋弹簧2)碟形弹簧特性线为线性刚度稳定,结构简单主要用于压紧和储能装置特性线为刚度混合型缓冲减振能力较强，制造和维修方便用于重型机械缓冲和减振装置14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性2.受弯曲应力的弹簧3)平面涡卷弹簧4)板弹簧

非接触型特性线为直线型，接触型特性线为非线性加载与卸载时特性线不重合,有能量损失多用于压紧和仪表动力装置板与板间有摩擦力,加载和卸载时的特性线不重合具有减振能力多用于车辆缓冲和减振装置14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性3.受压缩和拉伸应力的弹簧金属弹簧具有圆锥面的内、外环组成承受载荷时，圆锥面间产生较大摩擦力加载和卸载时特性线不重合减振能力很强多用于重型设备的缓冲装置14.1概述14.1.2

弹簧的类型和特性3.受压缩和拉伸应力的弹簧非金属弹簧弹性模量远小于金属弹簧，有较大弹性变形，易达到理想非线性特性对突然冲击、高频振动吸收及隔声效果好用于仪器座垫、发动机支承、机器减振装置橡胶弹簧空气弹簧具有良好的弹性，可根据需要将特性线设计成理想形状，高度可以调节，可同时承受多方面载荷具有吸收高频振动和隔声的能力应用于车辆悬挂装置14.2弹簧的材料、许用应力和制造弹簧主要承受动载荷，其破坏形式主要是疲劳破坏。因此，弹簧材料必须具有较高的抗拉强度和耐疲劳能力，较好的弹性，足够的冲击韧性及良好的塑性。经热处理后应具有良好的稳定弹性，好淬透性，低过热敏感性，不易脱碳常用的弹簧材料有碳素弹簧钢、合金钢、铜合金、橡胶和塑料等。弹簧常用材料及其许用应力（摘录）材料名称牌号/组别许用剪应力[τ]/MPa（Ⅰ类/Ⅱ类/Ⅲ类）应用举例碳素弹簧钢丝SL、SM、SH、DM、DH(0.30~0.38)Rm/(0.38~0.45)Rm/0.50Rm用于尺寸较小的弹簧，适于一般用途的螺旋弹簧和板簧油淬火-回火碳素弹簧钢丝A、B、C、D、E组(0.35~0.40)

Rm/(0.40~0.47)

Rm/0.55Rm用于中小尺寸的弹簧，如安全弹簧合金弹簧钢丝55Si2Mn、55CrMnA、60CrMnA445/590/740用于变载荷高温下工作的弹簧，截面大、高应力的弹簧不锈钢丝A、B、C、D组(0.28~0.34)

Rm/(0.34~0.38)

Rm/0.45Rm用于腐蚀或高、低温工作的小弹簧14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的结构和尺寸1.圆柱形压缩螺旋弹簧的结构当弹簧钢丝直径为d时推荐δ1=0.1d

≥0.2mm14.3.1圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的结构常用压缩螺旋弹簧的端部结构14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的结构和尺寸2.圆柱形拉伸螺旋弹簧的结构14.3.1圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的结构空载时各圈相互并紧，端部制成挂钩，以便于安装和加载，便于安装适用于受力较大的场合挂钩的型式主要几何参数：弹簧钢丝直径d，弹簧外径D，弹簧内径D1和弹簧中径D2弹簧指数(旋绕比)：C=D2/d，初选范围为C=5~8弹簧工作圈数z：工作时参与变形的圈数弹簧总圈数z1：工作圈数与支撑圈数和节距p：相邻两圈弹簧丝中心间的轴向距离

弹簧的螺旋升角α：弹簧的自由高度H0：未受载时的高度弹簧的工作高度HW：自由高度±变形量14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的结构和尺寸14.3.2圆柱形压缩(拉伸)螺旋弹簧的几何尺寸1.压缩弹簧的特性线2.拉伸螺旋弹簧的特性线

14.3圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的结构和尺寸14.3.3圆柱螺旋弹簧的特性线14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.1强度计算弹簧剖面a-b上剪应力弹簧丝剖面a-b扭转剪应力弹簧丝剖面a-b最大剪应力考虑螺旋升角α和曲率影响，修正式为曲度系数14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算如图14-15（c）所示，在切向力F作用下，弹簧剖面a-b上产生剪应力均匀分布，为

在转矩T作用下，弹簧丝剖面a-b上产生扭转剪应力，如图14-15（d）所示。

图14-15弹簧的受力分析弹簧丝剖面a-b上的最大剪应力τmax由τF和τT合成，产生于弹簧的内侧点b处，如图14-15（e）所示。则有

14.4.1强度计算14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.1强度计算弹簧丝强度条件为弹簧丝直径d的设计式为轴向变形量λ

对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧

对于有初应力的拉伸弹簧

初拉力F0

弹簧丝横剖面初应力，由图中的阴影区内选取

14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.2弹簧的变形计算工作圈数z计算式弹簧的刚度k

弹簧指数C对刚度的影响最大14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.2弹簧的变形计算

稳定性条件为

Fc—稳定时的临界载荷，NCu——不稳定系数Fmax——最大工作载荷，N1-两端固定；2-一端固定，一端回转；3-两端回转14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.3压缩螺旋弹簧的稳定性计算失稳现象：压缩螺旋弹簧产生侧向弯曲丧失稳定性两端固定一端固定两端回转承受变载荷的弹簧可能发生疲劳破坏，应进行疲劳强度和静强度安全系数验算静强度安全系数校核疲劳强度安全系数校核14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.4承受变载荷的强度验算弹簧材料的剪切脉动疲劳极限τ01.两端固定的弹簧自振频率f为

2.一端固定，一端自由的弹簧

为避免共振对弹簧强度的影响，应限制弹簧的工作频率fW。对于阀门一类弹簧，应使fW/f≤0.1；对于减振弹簧，应使fW/f≤2。14.4圆柱形压(拉伸)螺旋弹簧的设计计算14.4.5弹簧的振动计