第十六章弹簧

1、第十六章第十六章 弹簧弹簧弹簧的主要功用弹簧的主要功用1.缓和冲击和吸收振动：汽车缓冲、联轴器吸振；缓和冲击和吸收振动：汽车缓冲、联轴器吸振；2.控制机构的运动：内燃机阀门；控制机构的运动：内燃机阀门；3.储存能量：钟表、枪械储存能量：钟表、枪械4.测量力的大小：弹簧秤测量力的大小：弹簧秤按承受载荷的不同可分为按承受载荷的不同可分为:拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。簧和弯曲弹簧等。按弹簧形状不同可分为按弹簧形状不同可分为:螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。簧、盘簧、板弹簧等。16.1 概述概述弹簧的分类弹簧的分类弹簧的主

2、要类型及特点弹簧的主要类型及特点弹簧的主要类型及特点弹簧的主要类型及特点16.2 弹簧的材料、许用应力及制造弹簧的材料、许用应力及制造一、弹簧的材料一、弹簧的材料对弹簧的材料的主要要求是：对弹簧的材料的主要要求是：1.必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；击韧性；2.具有良好的热处理性能具有良好的热处理性能,热处理后应有足够的经久热处理后应有足够的经久不变的弹不变的弹 性性,且脱碳性要小且脱碳性要小;3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。常用的弹簧材料有：常用的弹簧材料有： 碳素弹簧钢、合金

3、弹簧钢、不锈钢、有色金属等碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢、有色金属等二、许用应力二、许用应力弹簧分为三类弹簧分为三类类类 循环次数循环次数106以上以上类类 循环次数循环次数103106之间之间类类 循环次数循环次数103以下以下碳素弹簧钢丝机械强度的分组：碳素弹簧钢丝机械强度的分组： 弹簧丝的强度与弹簧丝组别、弹簧丝直径有关弹簧丝的强度与弹簧丝组别、弹簧丝直径有关,直直径径d小的弹簧丝强度极限小的弹簧丝强度极限b较高。较高。组组高级高级及及a组组中级中级组组正常级正常级三、螺旋弹簧的制造三、螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程主要包括：螺旋弹簧的制造过程主要包括：（1）卷绕）卷绕 冷卷冷卷 弹簧

4、丝直径较小，低温回火弹簧丝直径较小，低温回火 热卷热卷 弹簧丝直径较大，淬火及回火弹簧丝直径较大，淬火及回火（2）钩环的制作或两端的加工）钩环的制作或两端的加工（3）热处理）热处理（4）工艺试验及必要的压强或喷丸等强化处理。）工艺试验及必要的压强或喷丸等强化处理。压缩弹簧的端部结构压缩弹簧的端部结构拉伸弹簧的端部结构拉伸弹簧的端部结构16.3 圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算的设计计算圆柱形压缩螺旋弹簧与拉伸螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩螺旋弹簧与拉伸螺旋弹簧的设计计算内容主要有：内容主要有：1、确定结构形式和特性线；、确定结构形式和特性线；2、选择材料和确定许用应

5、力；、选择材料和确定许用应力；3、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；4、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；5、确定弹簧的基本参数、尺寸等。、确定弹簧的基本参数、尺寸等。一、几何尺寸和参数一、几何尺寸和参数弹簧指数（旋绕比）弹簧指数（旋绕比）C:中径中径 D外径外径D2内径内径D1节距节距p螺旋升角螺旋升角弹簧丝直径弹簧丝直径d圈数圈数ndDC 二、特性线二、特性线表示载荷与相应变形之间表示载荷与相应变形之间关系的曲线称为弹簧的特关系的曲线称为弹簧的特性线性线a直线型直线型 b渐增型渐增型 c渐减型渐减型圆柱形等节距压缩螺旋

6、弹簧及其特性线圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线 1与与2之差称为弹簧的工作行程之差称为弹簧的工作行程2112hHHFlim为弹簧的极限工作载荷，在它的为弹簧的极限工作载荷，在它的作用下弹簧丝内的应力达到了弹簧作用下弹簧丝内的应力达到了弹簧材料的屈服极限。材料的屈服极限。弹簧的最小工作载荷通常取为弹簧的最小工作载荷通常取为1lim0.2FF最大工作载荷通常取最大工作载荷通常取2lim0.8FF弹簧间隙弹簧间隙余余 隙隙lim/n极限工作载荷极限工作载荷Flim 的大小的大小应保证弹簧丝中所产生的极限切应力应保证弹簧丝中所产生的极限切应力 在以下范围内：在以下范围内：对于对于类弹簧类弹簧对于对于

7、类弹簧类弹簧对于对于类弹簧类弹簧 lim1.67 lim1.25 lim1.12lim弹簧几何尺寸计算弹簧几何尺寸计算三、弹簧的受力和应力三、弹簧的受力和应力在通过弹簧轴线的平在通过弹簧轴线的平面面A-A内，弹簧丝的内，弹簧丝的剖面呈椭圆形，由于剖面呈椭圆形，由于弹簧的螺旋升角很小，弹簧的螺旋升角很小，则近似为圆形。则近似为圆形。当弹簧受载荷当弹簧受载荷F作用时作用时,在在A-A剖面上将作用有剖面上将作用有扭转力矩扭转力矩 和剪和剪切力切力 F该剖面上的应力可近该剖面上的应力可近似的取为似的取为TF2.DFT 转矩转矩T引起的切应力引起的切应力T切向力切向力 引起的切应力引起的切应力tFF根据

8、力的迭加原理可知，在弹簧丝内侧根据力的迭加原理可知，在弹簧丝内侧a点的合成应力最大点的合成应力最大 a点的最大合成切应力为点的最大合成切应力为33816/2/dFDdFDWTTT2244/dFdFAFtF)211 (8)21 (8483323CdFDDddFDdFdFD考虑弹簧升角和曲率以及考虑弹簧升角和曲率以及F的影响引入一个修正系数的影响引入一个修正系数K,则弹簧丝则弹簧丝1112C取剖面上实际力的分布将如图剖面上实际力的分布将如图(d),其强度条件其强度条件式中式中K称为曲度系数称为曲度系数410.61544CKCC当按强度条件计算弹簧丝直径当按强度条件计算弹簧丝直径d时时,应以最大工作

9、载荷应以最大工作载荷 代替式代替式中的中的 ,则得则得2FF 2281.6KF CKF Cd mm 与弹簧丝直径与弹簧丝直径d有关，因此应反复计算。有关，因此应反复计算。 2388dFCKdFDK四、弹簧的变形和刚度四、弹簧的变形和刚度由材料力学可知，圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生由材料力学可知，圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧受载荷后产生的轴向变形量为：的轴向变形量为：（1 1）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧）对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧3228F C nGd（2 2）对于有初应力的拉伸弹簧）对于有初应力的拉伸弹簧32028 FF C nGd0F为初拉力为初拉力GdnFCGdnFD3

10、4388KDdF8030弹簧的刚度用弹簧的刚度用 表示，拉伸和压缩弹簧的刚度为表示，拉伸和压缩弹簧的刚度为FKFdFKd定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为定刚度的压缩和拉伸弹簧的刚度为五、弹簧的稳定性五、弹簧的稳定性压缩弹簧的自由高度压缩弹簧的自由高度 与中径与中径 D 之比，之比，称为高径比，即称为高径比，即 0H为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b值值应满足下列要求：应满足下列要求：两端固定时两端固定时一端固定另一端自由转动时一端固定另一端自由转动时两端均自由转动时两端均自由转动时5.3b 3.7b 2.6b nDGdnCGdFKF34388DHb0当当b值不满足

11、上述要求时，应进行稳定性验算。保持稳定时的值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。保持稳定时的临界载荷由下式计算临界载荷由下式计算0cBFFC K HBC 不稳定系数0cBCH可保证弹簧的稳定性，最大工作载可保证弹簧的稳定性，最大工作载荷荷 与临界载荷与临界载荷 之间应满足以下之间应满足以下关系关系2FcF22 2.5cFF 不稳定系数不稳定系数CB六、受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计六、受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计设计的一般步骤如下：设计的一般步骤如下：1.选择材料和确定许用应力。选择材料和确定许用应力。(1)初选弹簧指数初选弹簧指数C(2)根据初选根据初选C值及安装空间估计中径值及安装空间估计中径