拉伸弹簧的设计计算

1、第四十八讲第四十八讲主讲教师：曾平学时：主讲教师：曾平学时：第十五章第十五章 弹弹 簧簧学习内容学习内容学习要求学习要求思考题与习题思考题与习题15151 1 概述概述15152 2 弹簧的制造、材料和许用应力弹簧的制造、材料和许用应力15153 3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的 设计计算设计计算学学 习习 内内 容容学习要求：学习要求：1.1.了解弹簧的功用、种类结构材料和制了解弹簧的功用、种类结构材料和制造工艺等基础知识；造工艺等基础知识；2.2.了解弹簧的工作特点、特性曲线、刚了解弹簧的工作特点、特性曲线、刚度和稳定性等基本概念；度和稳定性等基本概念；3.3.熟悉圆柱

2、螺旋压缩、拉伸弹簧的设计熟悉圆柱螺旋压缩、拉伸弹簧的设计计算，主要包括强度和刚度计算、基计算，主要包括强度和刚度计算、基本参数和几何尺寸计算、结构设计、本参数和几何尺寸计算、结构设计、特性曲线等。特性曲线等。一、弹簧的功用一、弹簧的功用 弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。点，在各类机械中应用十分广泛。 弹簧的主要功用有：弹簧的主要功用有：（1）控制机构的位置和运动；）控制机构的位置和运动；（2）缓冲及吸振；）缓冲及吸振；（3）储存能量；）储存能

3、量；（4）测量力和力矩）测量力和力矩 。15151 1 概述概述概述概述二、弹簧的类型二、弹簧的类型按弹簧承受的载荷分：按弹簧承受的载荷分：拉伸弹簧拉伸弹簧压缩弹簧压缩弹簧扭转弹簧扭转弹簧弯曲弹簧弯曲弹簧按照弹簧的形状分：按照弹簧的形状分：螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。是圆柱螺旋弹簧。 螺旋弹簧螺旋弹簧碟形弹簧碟形弹簧 板簧板簧盘簧盘簧环形弹簧环形弹簧概述概述圆柱形螺旋弹簧的结构圆柱形螺旋弹簧的结构图示为螺旋压图示为螺旋压缩弹簧和拉伸弹缩弹簧和拉伸弹

4、簧。压簧在自由簧。压簧在自由状态下各圈间应状态下各圈间应留有一定的余留留有一定的余留间隙间隙d d1。为使载。为使载荷沿弹簧轴线传荷沿弹簧轴线传递，弹簧的两端递，弹簧的两端各有各有3/45/4圈圈与邻圈并紧，称与邻圈并紧，称为死圈。死圈端为死圈。死圈端部必须磨平。部必须磨平。概述概述概述概述本章主要介绍圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧本章主要介绍圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧1 1、压缩弹簧、压缩弹簧 弹簧两端的端面圈与弹簧两端的端面圈与邻圈并紧，不参与弹簧变邻圈并紧，不参与弹簧变形，只起支承的作用，俗形，只起支承的作用，俗称称死圈死圈。一、圆柱螺旋弹簧的结构一、圆柱螺旋弹簧的结构152 圆柱螺旋弹簧的结构、制

5、造及材料圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料2 2、拉伸弹簧、拉伸弹簧如图，圆柱螺如图，圆柱螺旋拉伸弹簧不受旋拉伸弹簧不受外力的自由状态，外力的自由状态，此时弹簧各圈应此时弹簧各圈应互相并拢。拉伸互相并拢。拉伸弹簧分无初拉力弹簧分无初拉力和有初拉力两种。和有初拉力两种。拉伸弹簧的拉伸弹簧的端部结构形式端部结构形式圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料弹簧的卷制方法有冷卷法和热卷法弹簧的卷制方法有冷卷法和热卷法 二、圆柱螺旋弹簧的制造二、圆柱螺旋弹簧的制造 要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，足够的韧性和塑性，良好的热处理性能。常用

6、的弹簧足够的韧性和塑性，良好的热处理性能。常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢（如材料有：碳素弹簧钢（如60、75、65Mn等）、硅锰弹等）、硅锰弹簧钢（如簧钢（如60Si2MnA）、铬钒弹簧钢（如）、铬钒弹簧钢（如50Cr-VA）、）、不锈钢（如不锈钢（如1Cr18Ni9）及青铜（如）及青铜（如QBe2）等。）等。三、圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力三、圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力弹簧材料的许用应力与弹簧的受载循环次数有关弹簧材料的许用应力与弹簧的受载循环次数有关.1、弹簧的材料、弹簧的材料2、弹簧的许用应力、弹簧的许用应力圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料一、弹簧特性线、弹簧

7、特性线(压缩弹簧压缩弹簧) 预紧力预紧力F1称为弹簧的最称为弹簧的最小载荷。小载荷。Fmax(F2)为弹簧所承为弹簧所承受的最大工作载荷，此时，受的最大工作载荷，此时，弹簧高度压缩到弹簧高度压缩到H2，相应变，相应变形为形为max，该时刻弹簧各圈之，该时刻弹簧各圈之间仍应保留间仍应保留1的间隙，称为的间隙，称为余隙。余隙。153 圆柱螺旋压缩圆柱螺旋压缩(拉伸拉伸)弹簧的设计计算弹簧的设计计算 F3为弹簧的极限载荷。为弹簧的极限载荷。弹簧的工作行程弹簧的工作行程2= max-1载荷载荷-变形特性线图变形特性线图弹簧特性线弹簧特性线表示弹簧载荷表示弹簧载荷与变形量之间的关系曲线与变形量之间的关系

8、曲线二、圆柱螺旋拉压弹簧的强度计算二、圆柱螺旋拉压弹簧的强度计算1、弹簧受力、弹簧受力当压缩弹簧承受当压缩弹簧承受轴向载荷轴向载荷F的作用时，的作用时，钢丝剖面钢丝剖面A-A上作用上作用着横向力着横向力F和扭矩和扭矩T，A-A剖面呈椭圆形，剖面呈椭圆形，现取垂直于钢丝轴现取垂直于钢丝轴线的剖面线的剖面B-B。圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 式中式中: :K K曲度系数曲度系数2、弹簧应力、弹簧应力 压缩弹簧最大切应力压缩弹簧最大切应力发生在发生在弹簧丝内侧弹簧丝内侧,其其值为值为: 28maxCFKd CCCK615. 04414圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计

9、算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 C C 弹簧指数（旋绕比）。弹簧指数（旋绕比）。2DCd 卷绕困难卷绕困难, ,且工作时弹簧内侧应力且工作时弹簧内侧应力 C弹簧不稳定弹簧不稳定, ,易颤动易颤动. .通常通常C=5C=51010弹簧丝直径弹簧丝直径d : 216.K FCd 1、弹簧的变形、弹簧的变形GdFCGdnFD3432882、弹簧刚度和圈数、弹簧刚度和圈数 nCGdFk38233288GdGdnF CC k 三、弹簧的刚度计算三、弹簧的刚度计算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 弹簧刚度弹簧刚度弹簧的有效圈数弹簧的有效圈数 弹簧的总圈数弹簧的总圈数 1

10、1 52 5( . . )nn圈圈3、弹簧的稳定性验算、弹簧的稳定性验算 压缩弹簧的自由高度压缩弹簧的自由高度H0与中径与中径D2之比称为之比称为高径比高径比，以以b表示表示,要求要求 02HbbD 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 当弹簧两端固定时，当弹簧两端固定时，b=5.3；当弹簧一端固定，；当弹簧一端固定，另一端铰支时，另一端铰支时，b=3.7。对于压缩弹簧：对于压缩弹簧：21cosD nL 制造弹簧的弹簧丝展开长度：制造弹簧的弹簧丝展开长度：对于拉伸弹簧：对于拉伸弹簧：21cosD nLl 式中式中 为未加载时的螺旋升角，一般为未加载时的螺旋升角，一般

11、59 式中式中l为拉伸弹簧挂钩部分的展开长度。为拉伸弹簧挂钩部分的展开长度。小结：小结： 强度计算用来决定弹簧丝的直径强度计算用来决定弹簧丝的直径d;d; 刚度计算用来决定弹簧有效工作圈数刚度计算用来决定弹簧有效工作圈数n;n; 结构尺寸计算用来确定结构尺寸及绘制结构尺寸计算用来确定结构尺寸及绘制制造图纸；制造图纸； 稳定性验算对压缩弹簧以高径比做稳定稳定性验算对压缩弹簧以高径比做稳定性验算，若不满足应调整结性验算，若不满足应调整结构参数或设置导套构参数或设置导套祝同学们 学习顺利！思考题与习题思考题与习题 1 1 金属弹簧按形状和承受载荷的不同，有金属弹簧按形状和承受载荷的不同，有哪些主要类

12、型？哪种弹簧应用最广？哪些主要类型？哪种弹簧应用最广？ 2 2 对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？用金属材料有哪些？ 3 3 什么是弹簧的特性曲线？弹簧的刚度是什么是弹簧的特性曲线？弹簧的刚度是如何定义的？如何定义的？ 4 4 对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？用金属材料有哪些？ 5.5.已知圆柱螺旋压缩弹簧中径已知圆柱螺旋压缩弹簧中径D D2 2=16mm=16mm，弹，弹簧丝直径簧丝直径d d3mm3mm，材料为碳素弹簧钢丝，材料为碳素弹簧钢丝C C级级,类弹簧，承受静载荷，弹簧工作圈数类弹簧，承受静载荷，弹簧工作圈数n n4 4，支，支承端部并紧磨平。承端部并紧磨平。试计算：试计算：1)1)弹簧所能承受的最大载荷弹簧所能承受的最大载荷FmaxFmax及最大载荷下及最大载荷下的变形量的变形量maxmax2)2)弹簧节距弹簧节距t t，自由高度，