第十五章弹簧

1、第十五章弹簧*§15-1概述 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于： 1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。 2）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等。 3）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。 4）测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。按照所承受的载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；而按照弹簧的形状不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和盘簧等。表15-1中列出了弹簧的基本类型。表15-1弹簧的基本类型按载荷

2、分按形状分拉伸压缩扭转弯曲螺旋形圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋 圆锥螺旋压缩弹簧 压缩弹簧 圆柱螺旋扭转弹簧其它形环形弹簧 碟形弹簧蜗卷形盘簧板簧§15-2圆柱螺旋弹簧在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。一、圆柱拉、压螺旋弹簧的结构圆柱螺旋弹簧分压缩弹簧和拉伸弹簧。压缩弹簧如图15-1所示。通常其两端的端面圈并紧并磨平（代号：Y）。还有一种两个端面圈并紧但不磨平（代号：Y）。磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。图15-l 压缩弹簧拉伸弹簧如图15-2所示，其中a和b为半圆形钩和圆环钩；c为可调式挂钩，用于受力较大时。图l5-2 拉伸弹簧二、圆柱螺旋弹簧的几何尺寸圆柱螺

3、旋弹簧的主要几何尺寸有：弹簧丝直径d、外径 D、内径 D1、中径 D2、节距p、螺旋升角a、自由高度（压缩弹簧）或长度（拉伸弹簧）H0，如图15-3。此外还有有限圈数n，总圈数nl，几何尺寸计算公式见表15-2。图15-3 圆柱形拉压螺旋弹簧表15-2 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式名称与代号压缩螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧弹簧丝直径d由强度计算公式确定弹簧中径D2D2=Cd弹簧内径D1D1= D2-d弹簧外径DD= D2+d弹簧指数CC= D2/d 一般4£C£16螺旋升角aa=arctanp/ pD2 对压缩弹簧，推荐a=5°9°有效圈数n由变形

4、条件计算确定 一般n>2总圈数n1压缩n1= n+(22.5)(冷卷)；拉伸：n1= nn1=n+(1.52)(YI型热卷)；n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈，推荐用1/2圈自由高度或长度H0两端圈磨平n1= n+1.5时，H0= np+dn1= n+2时，H0= np+1.5dn1= n+2.5时，H0= np+2d两端圈不磨平n1= n+2时，H0= np+2dn1= n+2.5时，H0= np+3.5dLI型H0=(n+1)d+D1LII型H0=(n+1)d+2D1LIII型H0=(n+1.5)d+2D1工作高度或长度HnHn = H0-lnHn = H0+ln，ln为变形

5、量节距pp=d+lmax/n+d=pD2tana (a=5°9°)p=d间距dd=p-dd=0压缩弹簧高径比bb=H0/D2展开长度LL=pD2n1/cosaL=pD2n+钩部展开长度定义弹簧指数C为弹簧中径D2和簧丝直径d的比值，即：C=D2/d。通常C值在416范围内，可按表15-3选取。弹簧丝直径d相同时，C值小则弹簧中径D2也小，其刚度较大；反之，则刚度较小。表15-3 圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C弹簧直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161842C7145125104104846三、圆柱螺旋弹簧的特性曲线弹簧应在弹性极限内工作，不允许有塑性变形。

6、弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。压缩螺旋弹簧的特性曲线如图15-4所示。图中，H0为弹簧未受载时的自由高度。Fmin为最小工作载荷，它是使弹簧处于安装位置的初始载荷；在Fmin的作用下，弹簧从自由高度H0被压缩到H1，相应的弹簧压缩变形量为lmin；在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下，弹簧的压缩变形量增至lmax。图中Flim为弹簧的极限载荷，在其作用下，弹簧高度为Hlim，变形量为llim，弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此处，图中的h=lmax-lmin，称为弹簧的工作行程。图15-4 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图图15-5 圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线拉伸螺旋弹簧的特

7、性曲线如图15-5所示。按卷绕方法的不同，拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。无初应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同：有初应力的拉伸弹簧的特性曲线，如图15-5c所示，有一段假想的变形量X，相应的初拉力F0，为克服这段假想变形量使弹簧开始变形所需的初拉力，当工作载荷大于F0时，弹簧才开始伸长。对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin³0.2Flim，对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0 ；弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取Fmax£0.8Flim。因此，为保持弹簧的线性特性，弹簧的工作变形量应取在（0.20.8）llim范围。§1

8、5-3弹簧常用材料常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。选用材料时，应根据弹簧的功用、载荷大小、载荷性质及循环特性、工作强度、周围介质以及重要程度来进行选择，弹簧常用材料的性能和许用应力见表15-4。表15-4弹簧材料和许用应力 （MPa）类别牌号压缩弹簧许用剪切应力t/MPa许用弯曲应力sb/MPa切变模量G/MPa弹性模量E/MPa推荐硬度HRC推荐使用温度/°C特性及用途I类II类III类I类II类钢丝碳素弹簧钢丝、琴钢丝(0.30.38) sb(0.380.45) sb0.5sb(0.60.68) sb0.8sb79´10320

9、6´103-40120强度高，性能好，适用于做小弹簧，如安全阀弹簧，或要求不高的大弹簧油淬火-回火碳素弹簧钢丝(0.350.4) sb(0.40.47) sb0.55 sb(0.60.68) sb0.8sb65Mn34045557057071060Si2Mn60Si2MnA4455907407409254550-40200弹性好，回火稳定性好。易脱碳、用于受大载荷的弹簧，60Si2Mn 可作汽车拖拉机弹簧60Si2MnA作机车缓冲弹簧50CrVA4550-40210用作截面大高应力的弹簧，亦用于变载荷高温工作的弹簧65Si2MnWA60Si2CrVA56074593111674752-40250强度高，耐高温，耐冲击，弹性好30W4Cr2VA4425887357359204347-40350高温时强度高，淬透性好本章要点（1）掌握弹簧的种类、特点及应用。（2）掌握圆柱螺旋弹簧受力分析方法。习题15-1 按受载性质和形状不同，弹簧分哪几种