Chapter 20 Design of Springs

1、Chapter 20 Design of Springs1Chapter 20 Design of SpringsPART Design of Elements and Parts in General Use机械设计机械设计Mechanical DesignMechanical DesignChapter 20 Design of Springs220.1 Types and Functions of Springs 弹簧的类型及功用弹簧的类型及功用20.1.1 Classification of Springs 弹簧的分类弹簧的分类螺旋弹簧螺旋弹簧(helical spring) 碟形弹簧

2、碟形弹簧(coned-disk spring or Belleville spring)，环形弹簧环形弹簧(ring spring)板簧板簧(plate or flat spring, cantilever悬臂悬臂 spring or leaf spring)涡卷形弹簧涡卷形弹簧(spiral spring)按所承受载荷性质按所承受载荷性质拉伸弹簧拉伸弹簧(tension spring) 压缩弹簧压缩弹簧(compression spring)扭转弹簧扭转弹簧(torsion spring)弯曲弹簧弯曲弹簧(bending spring) 按弹簧形状按弹簧形状A spring is a fle

3、xible element used to exert a force or a torque and, at the same time, to store energy.Chapter 20 Design of Springs3表表20.1 金属弹簧的基本型式金属弹簧的基本型式Chapter 20 Design of Springs4Chapter 20 Design of Springs5Chapter 20 Design of Springs6Chapter 20 Design of Springs7Chapter 20 Design of Springs8Chapter 20 Des

4、ign of Springs9Chapter 20 Design of Springs10(螺旋弹簧螺旋弹簧)用用弹簧丝卷绕弹簧丝卷绕制成；制造简制成；制造简便，价格较低，易于检测和安装，应用最广。可以制成便，价格较低，易于检测和安装，应用最广。可以制成螺旋拉伸弹簧螺旋拉伸弹簧(helical tension spring)螺旋压缩弹簧螺旋压缩弹簧(helical compression spring)螺旋扭转弹簧螺旋扭转弹簧(helical torsion spring) Chapter 20 Design of Springs11Constant pitch (cylindrical),

5、Conical, Barrel, Hourglass, Variable pitchRight hand，Left hand ConicalConstant pitchBarrelHourglassChapter 20 Design of Springs12弹簧丝的形状弹簧丝的形状)round wire, rectangular wireChapter 20 Design of Springs13（碟形弹碟形弹簧簧） 可以承受很大的冲击载可以承受很大的冲击载荷，具有良好的吸振能力，常用荷，具有良好的吸振能力，常用作缓冲减振弹簧。作缓冲减振弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受在载荷相当大和弹簧轴向

6、尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。限制的地方，可以采用碟形弹簧。Chapter 20 Design of Springs14(环形弹簧环形弹簧)是目前减是目前减振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中的型机车、锻压设备和飞机起落装置中的缓冲零件。缓冲零件。Chapter 20 Design of Springs15(涡卷形弹簧涡卷形弹簧)具有较多的圈数、变形具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表的动力装置。的动力装置。Flat Springs(板簧板簧

7、)能承受较大的弯曲作用，常用于能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。挂装置中均普遍使用这种弹簧。Chapter 20 Design of Springs1620.1.2 Functions of Springs 弹簧的功用弹簧的功用(1) 控制机械的运动控制机械的运动(2) 吸收振动和冲击能量吸收振动和冲击能量如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器

8、中的控制弹簧；簧、离合器中的控制弹簧；如各种车辆中的减振弹簧及如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；各种缓冲器的弹簧等；Chapter 20 Design of Springs17(3) 存储和释放能量存储和释放能量(4) 测量力的大小测量力的大小例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；如弹簧秤和测力器中的弹簧等。如弹簧秤和测力器中的弹簧等。测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手Chapter 20 Design of Springs1820.2 Materials and Manufacture of Springs 弹簧的材料和制

9、造弹簧的材料和制造材料要求材料要求除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。良好的热处理工艺性等。主要弹簧材料及其使用性能主要弹簧材料及其使用性能表表20.2 实践中应用最广泛的材料实践中应用最广泛的材料弹簧钢弹簧钢，其品种又有，其品种又有碳素弹簧碳素弹簧钢钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限, 表表20.3 20.2.1 Spring Mat

10、erials 弹簧材料弹簧材料Chapter 20 Design of Springs1971057057045534065Mn B、C、D级级206800.8 B(0.60.68) B0.5 B(0.380.45) B(0.30.38) B碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝B、C、D级级钢钢丝丝类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧类类弹簧弹簧类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧弹性弹性模量模量E/GPa切变切变模量模量G/GPa许用弯曲应力许用弯曲应力 b/MPa许用切应力许用切应力 T/ MPa代代 号号类类别别1)按受力循环次数按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：不同，弹簧分为三类：类类N106；类类N=103105以以

11、及受冲击载荷的场合；及受冲击载荷的场合；类类N8mm)。在热态下卷制的弹簧，卷。在热态下卷制的弹簧，卷成后成后必须进行淬火、中温回火必须进行淬火、中温回火等处理。等处理。Chapter 20 Design of Springs24弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大的程度上取决于弹簧的弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大的程度上取决于弹簧的表面状况，所以，表面状况，所以，弹簧丝弹簧丝(spring wire)表面表面必须必须光洁光洁，没有没有裂缝裂缝和和伤痕伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性能，因此，脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收抗冲击

12、性能，因此，脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收弹簧的技术条件中详细规定。弹簧的技术条件中详细规定。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。Chapter 20 Design of Springs25为提高弹簧的承载能力，可将弹簧为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在在超过工作极限载荷下超过工作极限载荷下进行进行强压处强压处理理(受载受载648h)，以便在簧丝内产，以便在簧丝内产生生塑性变形塑性变形和有益的和有益的残余应力残余应力，由，由于残余应力的符号与工作应力相反，于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在因而弹簧在工作时的最大应力工作时

13、的最大应力比比未未经强压处理经强压处理的弹簧小。的弹簧小。一般经过一次一般经过一次强压处理强压处理的弹簧可提高其承载能力约的弹簧可提高其承载能力约25%；若若经经喷丸处理喷丸处理可提高可提高20%。须注意，须注意，强压处理强压处理是弹簧制造的是弹簧制造的最后一道工序最后一道工序。为了保持有。为了保持有益的残余应力，强压处理后益的残余应力，强压处理后不应作其它热处理不应作其它热处理。而且经强压。而且经强压处理的弹簧也处理的弹簧也不宜工作在较高温度不宜工作在较高温度（150450 C）、长期）、长期振动和有腐蚀性介质的场合。振动和有腐蚀性介质的场合。 Chapter 20 Design of Sp

14、rings2620.3 Working Principle of Springs 弹簧的工作原理弹簧的工作原理表征弹簧载荷表征弹簧载荷与其变形之间关系的曲线与其变形之间关系的曲线载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；缩量或伸长量；载荷是指扭矩，变形是指扭角。载荷是指扭矩，变形是指扭角。20.3.1 Characteristic Curve of a Spring 弹簧特性曲线弹簧特性曲线Chapter 20 Design of Springs27弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验的依据

15、之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。荷与变形关系的分析。 按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有四种。按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有四种。Chapter 20 Design of Springs2820.3.2 Stiffness of Springs 弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度(, ) 是指使是指使弹簧产生单位变形的载荷，用弹簧产生单位变形的载荷，用k和和kT分别表示拉分别表示拉(压压)弹簧的弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度。刚度与扭转弹簧的刚度。对于拉压弹簧对于拉压弹簧 ddFk 对于扭转弹簧对于扭转

16、弹簧 ddTkT 实际上弹簧刚度就是实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线弹簧特性曲线上某点的上某点的斜率斜率。Chapter 20 Design of Springs29直线型弹簧直线型弹簧刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。刚度渐增型弹簧刚度渐增型弹簧随变形量的增大其刚度越大。如车随变形量的增大其刚度越大。如车辆缓冲减振弹簧，希望在车辆重载与轻载时，均具有差辆缓冲减振弹簧，希望在车辆重载与轻载时，均具有差不多的自振频率；且在最大或冲击载荷作用时，仍具有不多的自振频率；且在最大或冲击载荷作用时，仍

17、具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。曲线的走向。Chapter 20 Design of Springs30弹簧可以按刚度分为弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧定刚度弹簧（直线型特性线）和（直线型特性线）和变刚变刚度弹簧度弹簧（曲线或折线型特性线），受动载荷或冲击载荷作（曲线或折线型特性线），受动载荷或冲击载荷作用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。 刚度渐减型弹簧刚度渐减型弹簧刚度随刚度随变形的增大而越小。为了在变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具

18、有刚度冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。渐减型特性曲线的弹簧为宜。Chapter 20 Design of Springs3120.4 Design for Cylindrical Helical Compression and Tension Springs 圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计20.4.1 Parameters and Geometric Dimensions of a Cylindrical Spring 圆柱弹簧的参数及几何尺寸圆柱弹簧的参数及几何尺寸 圆柱弹簧的主要尺寸圆柱弹簧的主要尺寸DD2dtH0D1 DD2dtH0D1 弹簧丝

19、直径弹簧丝直径(wire dia.), d弹簧圈外径弹簧圈外径(outside dia.), D弹簧圈内径弹簧圈内径(inside dia.), D1弹簧圈中径弹簧圈中径(mean dia.), D2节距节距(pitch), t螺旋升角螺旋升角(pitch angle), 自由长度自由长度(free length), H0Chapter 20 Design of Springs32(或称或称), C=D2/d 是最重要是最重要的参数之一。弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹的参数之一。弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。簧内外侧的应力相差

20、愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表常用弹簧指数的选取参见表20.4。CdD 2 dCdDD121 dCdDD12 弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数C表示：表示：Chapter 20 Design of Springs33(1) Plain ends coiled right-hand. Plain end, right hand. Both ends plain. The ends are the same as if

21、a long spring had been cut into sections.Chapter 20 Design of Springs34Plain ends ground.Both ends plain.Squared or closed ends, not ground. (端部并紧不磨平端部并紧不磨平)Both ends squared.Chapter 20 Design of Springs35Both ends squared and ground.The end turns are squared and then ground perpendicular to the hel

22、ix axis. Both ends plain.Chapter 20 Design of Springs36弹簧圈数弹簧圈数(number of coils)弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不参加弹簧变形，其参加弹簧变形，其。, 两端死圈各有两端死圈各有，具体与端部，具体与端部形式有关，一般形式有关，一般。Chapter 20 Design of Springs37两种常用端部形式两种常用端部形式GB(Both ends closed and ground)(closed ends, not ground)重要场合应采用并紧磨平端。死圈的磨平长重要场合应采用并紧

23、磨平端。死圈的磨平长度应不小于度应不小于1/4圈，圈，。Chapter 20 Design of Springs38 弹簧工作圈数弹簧工作圈数有效圈数有效圈数(number of active coils)为了保证弹簧具有稳定的性能，通常为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数弹簧的有效圈数。 弹簧总圈数弹簧总圈数(total number of coils) 总圈数的总圈数的宜取宜取1/4、。)25. 175. 0(220 nnnn与与间的关系间的关系与端部形式有关与端部形式有关 Chapter 20 Design of Springs39DD2dtH0D1 弹簧节距弹簧节距(pitc

24、h) 按下式取按下式取 ndtmax max弹簧的最大变形量；弹簧的最大变形量； 最大变形时相邻两弹簧丝间的最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于最小距离，一般不小于0.1d。弹簧钢丝间距弹簧钢丝间距(coil clearance or space between adjacent coils) dt Chapter 20 Design of Springs40DD2dtH0D1 弹簧的弹簧的() dnntdnnntdnnH)5 . 02()5 . 0(5 . 0000 dnntdnnntdnnH)12()1(1000 Both ends closed and ground两端并紧磨平

25、两端并紧磨平Closed ends, not ground两端并紧不磨平两端并紧不磨平弹簧螺旋升角弹簧螺旋升角() 21tanDt 通常取通常取 =59 cos02nDL Chapter 20 Design of Springs41Chapter 20 Design of Springs42Chapter 20 Design of Springs43dt Pitch hooks of dim Length Free0 ndHDD2dtH0D1 n20时，一般圆整为整圈数；时，一般圆整为整圈数；nFcr，应重新选择有关参数，改变，应重新选择有关参数，改变b值，提高值，提高Fcr的大的大小，使其大

26、于小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性。之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装参数时，就应该加装，以免弹簧受载时，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。为了防止产生侧向弯曲。为了防止弹簧工作时簧丝与导杆或弹簧工作时簧丝与导杆或导套产生摩擦，导套产生摩擦，。 Chapter 20 Design of Springs5220.5 Fatigue Strength Checking Computation of Springs with Fluctuating Loads 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算1. 对于循环次数较

27、多、工作在变应力下的重要弹簧，还应对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧，还应该进一步对该进一步对进行验算。进行验算。2. 如果变应力的如果变应力的N103，或，或不大时，不大时，应进行应进行验算。验算。3. 如果上述两种情况不能明确区分时，则应同时进行这两如果上述两种情况不能明确区分时，则应同时进行这两种强度的验算。种强度的验算。 Chapter 20 Design of Springs53 设计一圆柱螺旋压缩弹簧。已知：弹簧外径设计一圆柱螺旋压缩弹簧。已知：弹簧外径D 15mm，工，工作时最大载荷为作时最大载荷为220N，最小载荷为，最小载荷为150N，要求弹簧工作，要求弹簧工作行程为

28、行程为5mm，类弹簧，两端固定支承。类弹簧，两端固定支承。(1) 选择弹簧材料及许用应力选择弹簧材料及许用应力Solution因本弹簧在一般载荷下工作，按因本弹簧在一般载荷下工作，按来考虑，选择来考虑，选择。初估弹簧丝直径为。初估弹簧丝直径为mm左右。查左右。查表表20.2和表和表20.3可知，可知， T=0.5 B， B=1660MPa。 71057057045534065Mn B、C、D级级206800.8 B(0.60.68) B0.5 B(0.380.45) B(0.30.38) B碳素弹簧钢丝碳素弹簧钢丝B、C、D级级钢钢丝丝类类弹簧弹簧类弹簧类弹簧类类弹簧弹簧类类弹簧弹簧类弹簧类弹

29、簧弹性弹性模量模量E/GPa切变切变模量模量G/GPa许用弯曲应力许用弯曲应力 b/MPa许用切应力许用切应力 T/ MPa代代 号号类类别别MPa83016675 . 05 . 0 BT 1810166014202.2DCB级别级别钢丝直径钢丝直径d/mmChapter 20 Design of Springs54(2) 计算弹簧丝直径计算弹簧丝直径 按表按表20.4选取选取 弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846279. 145 . 5415 . 545 . 5615. 04414615. 0 CCCKmm18.

30、 25 .8335 . 5279. 12206 . 16 . 1max TKCFd 与初估弹簧丝直径相近，故取标准值与初估弹簧丝直径相近，故取标准值 d=2.2mm。mm1 .122 . 25 . 52 CdDmm15mm3 .142 . 21 .122 dDD符合题意要求。符合题意要求。Chapter 20 Design of Springs55(3) 计算弹簧的有效工作圈数计算弹簧的有效工作圈数 查表查表20.2得得G=80000MPa 445. 91502201 .12852 . 280000834324 FDGdn 取弹簧工作圈取弹簧工作圈数为数为圈。圈。(4) 验算载荷与变形验算载荷与变形 mm3 .112 . 280000101 .121508843432minmin GdnDF mm6 .162 . 280000101 .122208843432maxmax GdnDF mm3 . 53 .116 .16minmax0 实际工作行程实际工作行程 Chapter 20 Design of Springs56表表20.2附注，附注， 类弹簧类弹簧 lim1.12 T。取取 MPa6 .92983012. 112. 1lim T (4) 验算载荷与变形验算载