第14章机械设计弹簧

1、第第14章弹章弹 簧簧 14-1弹簧概述弹簧概述 14-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造、圆柱螺旋弹簧的结构、制造、 材料及许用应力材料及许用应力14-3圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 工作特点：工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形， 在机械设备中被广泛用作弹性元件。在机械设备中被广泛用作弹性元件。功用：功用：1. 控制机构运动或零件的位置控制机构运动或零件的位置; 如凸轮机构、离合器、阀门等；14-1弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型 3. 存储能量存储能量; 如钟表仪器中的弹簧；4. 测量力的大小测量力的大小 ；如弹簧秤中的弹簧

2、螺旋螺旋弹簧弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形状分按形状分 按受载分按受载分 拉伸弹簧拉伸弹簧 压缩弹簧压缩弹簧 扭转弹簧扭转弹簧 5. 改变系统的自振频率。改变系统的自振频率。分类分类2. 缓冲吸振缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；本章内容本章内容分类分类螺旋弹簧螺旋弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形状分按形状分 按受载分按受载分 拉伸弹簧拉伸弹簧 压缩弹簧压缩弹簧 扭转弹簧扭转弹簧 环形弹簧环形弹簧 平面涡圈弹簧平面涡圈弹簧 仪表中储能用板弹簧板弹簧 碟形弹簧碟形弹簧 潘存云教授研制潘存云教授研制14-2圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及

3、许用应力材料及许用应力一、圆柱螺旋弹簧的结构形式一、圆柱螺旋弹簧的结构形式压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距 。潘存云教授研制支承圈或死圈支承圈或死圈两端有两端有3/43/45/45/4圈并紧，以使弹簧站圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。立平直，这部分不参与变形。不磨平不磨平磨平磨平端部磨平端部磨平重要弹簧重要弹簧端部不磨平端部不磨平 一般用途一般用途磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4d/4压缩弹簧的总圈数：压缩弹簧的总圈数：n1 = n+(1.52.5)为使工作平稳，为使工作平稳，n1的尾数的尾数取取1/21/2变形用n为

4、有效圈数圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 潘存云教授研制 拉伸弹簧拉伸弹簧（1 1）各圈相互并紧）各圈相互并紧=0=0；（2 2）制作完成后具有初拉力；）制作完成后具有初拉力；（3 3）端部做有拉钩，以便安装）端部做有拉钩，以便安装 和加载。和加载。拉钩形式：拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。转钩、可调转钩。潘存云教授研制改进后的结构改进后的结构拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。潘存云教授研制特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。二、弹簧

5、的制造二、弹簧的制造制造过程：制造过程：卷绕、端面加工卷绕、端面加工(压簧压簧)或拉钩制作（拉簧或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。或扭簧）、热处理和工艺性试验。潘存云教授研制冷卷：冷卷：d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。弹簧。优点：优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。的弹簧。选用原则：选用原则： 充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采

6、用碳素碳簧钢丝。应优先采用碳素碳簧钢丝。弹簧的许用应力弹簧的许用应力弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等弹簧按载荷分为三类：弹簧按载荷分为三类：I类弹簧：类弹簧： 受变载荷作用次数受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。或很重要的弹簧。II类弹簧：类弹簧：受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在103 105 ，或受冲击或受冲击 载荷的弹载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。簧，或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧：类弹簧：受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在103 ，或受静载荷或受静载荷 的弹簧。的弹簧。潘存云教授研制表表14-1螺旋弹簧的

7、常用材料和许用应力螺旋弹簧的常用材料和许用应力材材 料料名名 称称牌号牌号65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素弹簧碳素弹簧钢丝钢丝, , , 60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC合金弹合金弹簧钢丝簧钢丝类类弹簧弹簧I青铜丝青铜丝类类弹簧弹簧II类类弹簧弹簧III推荐使用推荐使用温度温度/ 推荐硬度推荐硬度范围范围 特性及用途特性及用途 强度高，性能好，强度高，性能好，但尺寸大了不易淬但尺寸大了不易淬透，只适用于小弹透，只适用于小弹簧簧 50CrVA 450 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 750 403

8、00 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 45040120 90100HBS弹性和回火稳定性弹性和回火稳定性好，易脱碳，用于好，易脱碳，用于制造受重载的弹簧制造受重载的弹簧有高的疲劳极限，有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回弹性、淬透性和回火稳定性好，常用火稳定性好，常用于承受变载的弹簧于承受变载的弹簧耐腐蚀，耐高温，耐腐蚀，耐高温，适用于做较大的适用于做较大的弹簧弹簧耐腐蚀，防磁好耐腐蚀，防磁好许用切应力许用切应力 / MPa潘存云教授研制组组 别别III、IIaIII钢丝直径钢丝直径 d/ mm0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 1.2 1.

9、6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.02700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800 1700 1650 1600 1500 1500 1450 2250 2250 2200 2150 2050 1950 1850 1800 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 12501750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250表表14-2碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限碳素弹簧钢丝的抗拉强度

10、极限节距：节距：t = d + +maxmax 最大变形量。最大变形量。F2为最大载荷通常通常 t t(0.3(0.30.5)0.5)D D2 2 , , =5=59 9间距间距: : maxmax0.80.8n n螺旋升角：螺旋升角：弹簧丝的展开长度弹簧丝的展开长度: :D D2 2 n n1 1coscosL L= =t tD D2 2=tan=tan-1-1自由高度自由高度: :H0=n+(n1+1)d两端并紧不磨平结构：两端并紧不磨平结构：潘存云教授研制HsHsD2H0=n+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构对于两端并紧磨平结构并紧高度：并紧高度： Hs =(n1+1)d(n1-0

11、.5)d一、几何尺寸计算一、几何尺寸计算 maxmaxF2潘存云教授研制H0t t14-3拉伸拉伸(压缩压缩)弹簧的设计计算弹簧的设计计算 表表14-3圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 潘存云教授研制计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名称及代号中径中径D D D D= =CdCd 取标准值取标准值 压缩弹簧厂细比压缩弹簧厂细比b b b b=H0/D2 b在在15.3的范围选取的范围选取自由高度或长度自由高度或长度H0 0有效圈数有效圈数n备备 注注Lh h为钩环展开长度为钩环展开长度两端并紧，磨平；两端并紧，磨平；H0pn+(1.52)d

12、两端并紧，不磨平；两端并紧，不磨平；H0pn+(33.5)dGdGd8(8(F Fmaxmax- -F F0 0) )n=-=-max mmmm内径内径D D1 1 D D1 1= =D D- -d d 旋绕比旋绕比C C C C= =D D/ /d d 外径外径D D2 2 D D2 2= =D D+ +d d H0 =nd+HhHn = H0 +n Hn = H0 + n n 工作变形量工作变形量 n2有预应力的拉伸弹簧有预应力的拉伸弹簧压缩弹簧或压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧无预应力的拉伸弹簧工作高度或长度工作高度或长度H1 1 H1 1 H1 1GdGd8 8F FmaxmaxC C3

13、3n=-=-max 潘存云教授研制续表续表14-414-4圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名称及代号总圈数总圈数n1 1节距节距 p p=(0.280.5)D p=d 轴向间距轴向间距 = =p p- -d d展开长度展开长度L L螺旋角螺旋角 质量质量ms备备 注注拉伸弹簧拉伸弹簧n1 1尾数为尾数为1/41/4、1/21/2、3/43/4、整圈，推、整圈，推荐用荐用1/21/2圈圈Lh h为钩环展开长度为钩环展开长度对压缩螺旋弹簧，推对压缩螺旋弹簧，推荐用荐用=5 9 为材料的密度，对各种为材料的密度

14、，对各种钢，钢， =7700kg/m=7700kg/m3 3; ; 对铍青铜，对铍青铜，=8100kg/m3 n1 1= =n冷卷：冷卷： n1=n+(22.5)YIIYII型热卷：型热卷： n1=n+(1.52)Dn1 1coscosL L=-=-=tan-1(p/D) L LDn+ +Lh h d2 24 4ms s=-=-L mmmm二、二、 弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线特性曲线特性曲线 载荷载荷-变形曲线变形曲线压缩弹簧的压缩弹簧的特性曲线特性曲线F 压缩弹簧的特性曲线压缩弹簧的特性曲线F1F2潘存云教授研制Flimarctgarctgk k最小工作载荷最小工作载荷: :Fminmin=（0.10.5）Fmax最大工作载荷