机械五金标准件认识与应用之二课件

彈簧的認識與應用彈簧的認識與應用1机械五金标准件认识与应用之二课件2目錄一.彈簧的分類.二.彈簧的功能.

三.彈簧的材料及選材.四.彈簧的制造.

五.彈簧的工作原理.六.彈簧的參數.七.彈簧的計算.目錄一.彈簧的分類.3一.弹簧分类:拉伸弹簧、、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为弹簧的种类很多，若按照其所承受的载荷性质，弹簧主要分为:1.拉伸弹簧2.压缩弹簧一.弹簧分类:拉伸弹簧、、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹4拉伸弹簧、、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为3.扭轉弹簧4.彎曲弹簧一.弹簧分类:拉伸弹簧、、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为5按照弹簧形状又可分为:1.螺旋弹簧2.碟形弹簧3.環形弹簧4.板弹簧5.盤弹簧一.弹簧分类:按照弹簧形状又可分为:1.螺旋弹簧2.碟形弹簧3.環形弹簧46二.弹簧功能:弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件。在各类机器中的应用十分广泛。其主要功用是：

1）控制机械的运动，例如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧；

2）吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；

3）存储和释放能量，例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；

4）测量力的大小，例如弹簧秤和测力器中的弹簧等等。二.弹簧功能:弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的7三.弹簧材料:为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料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、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。三.弹簧材料:为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满8图20-2碳素钢丝直径与强度的关系三.弹簧材料:图20-2碳素钢丝直径与强度的关系三.弹簧材料:9表20-2主要弹簧材料及其许用应力三.弹簧材料:表20-2主要弹簧材料及其许用应力三.弹簧材料:10注：

1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105

以及受冲击载荷的场合；Ⅲ类N<103。

2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。

3.弹簧的工作极限应力τlim：Ⅰ类≤1.67[τ]；Ⅱ类≤1.25[τ]；Ⅲ类≤1.12[τ]。

4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。

5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。三.弹簧材料:注：

1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>10611三.弹簧材料選擇:弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。三.弹簧材料選擇:弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要12四.弹簧制造:

螺旋弹簧的制造工艺过程如下：

①绕制；

②钩环制造；

③端部的制作与精加工；

④热处理；

⑤工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。

弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。

（1）冷卷法：簧丝直径d≤8mm的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷绕后一般不再进行淬火处理，只须低温回火以消除卷绕时的内应力。

（2）热卷法：簧丝直径较大（d>8mm）的弹簧则用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力（见左图所示）比未经强压处理的弹簧小。四.弹簧制造:螺旋弹簧的制造工艺过程如下：

①绕13五.弹簧工作原理:

1、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形l之间关系的曲线，称为弹簧特性线。

2、载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。

3、常见类型：按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：

图a直线型图b刚度渐增型

图c刚度渐减型图d混合型

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。1弹簧特性曲線

五.弹簧工作原理:1、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形l之14五.弹簧工作原理:1、定义：

弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用K和KT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下：

对于拉压弹簧

对于扭转弹簧

其中：F---弹簧轴向拉（压）力；

λ---弹簧轴向伸长量或压缩量；

T---扭转弹簧的扭矩；

ø---扭转弹簧的扭转角。

2弹簧刚度

五.弹簧工作原理:1、定义：

弹簧刚度是指使弹簧产生单位152、弹簧刚度与弹簧特性的关系

图a）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。

图b）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍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曲线的走向。

图c）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。五.弹簧工作原理:2、弹簧刚度与弹簧特性的关系

图a）所示的直线型弹簧，其16六.弹簧參數:如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t、螺旋升角a、自由长度H0等。六.弹簧參數:如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径17弹簧参数的计算

弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最重要的参数之一。

C=D2/d，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。常用弹簧指数的选取参见表。弹簧丝直径d（mm）0.2～0.40.5～11.1～2.22.5～67～1618～40C7～145～125～104～104～84～6六.弹簧參數:弹簧参数的计算

弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最18弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：

；

弹簧节距t一般按下式取：（对压缩弹簧）；

t=d

（对拉伸弹簧）；

式中：λmax---弹簧的最大变形量；

Δ---最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。

弹簧钢丝间距：

δ=t-d；

弹簧的自由长度：

H=n·δ+(n0-0.5)d

（两端并紧磨平）；

H=n·δ+(n0+1)d

（两端并紧，但不磨平）。

弹簧螺旋升角：

，通常α取5～90

。

六.弹簧參數:弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：

19弹簧丝材料的长度：（对压缩弹簧）；

（对拉伸弹簧）；

其中l为钩环尺寸。六.弹簧參數:弹簧丝材料的长度：20七.弹簧受力分析:七.弹簧受力分析:21图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩T=FRcosα

，弯矩M=FRsinα，切向力FQ=Fcosα和法向力NF=Fsinα

（式中R为弹簧的平均半径）。由于弹簧螺旋角α的值不大（对于压缩弹簧为6～90

）,所以弯矩M和法向力N可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。α的值较小时，cosα≈1,可取T=FR

和

Q=F。这种简化对于计算的准确性影响不大。

当拉伸弹簧受轴向拉力F时，弹簧丝横剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T和切向力Q均为相反的方向。所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。七.弹簧受力分析:图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖22七.弹簧強度分析:从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝

系数Ks可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得到扭应力

式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径

七.弹簧強度分析:从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭23七.弹簧剛度分析:圆柱弹簧受载后的轴向变形量

式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。

这样弹簧的圈数及刚度分别为

对于拉伸弹簧，n>20时，一般圆整为整圈数，n<20时，可圆整为1/2圈；对于压缩弹簧总圈数n的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。C值大小对弹簧刚度影响很大。若其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧也就愈硬；反之则愈软。不过，C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在工作时会引起较大的切应力。此外，k值还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。七.弹簧剛度分析:圆柱弹簧受载后的轴向变形量

24七.弹簧穩定性分析:压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图a)所示的失稳现象，所以还应进行稳定性的验算。七.弹簧穩定性分析:压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图a25七.弹簧穩定性分析:为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的长径比b=H0/D2

按下列情况取为：

弹簧两端均为回转端时，b≤2.6；

弹簧两端均为固定端时，b≤5.3；

弹簧两端一端固定而另一端回转时，b≤3.7。

如果b大于上述数值时，则必须进行稳定性计算，并限制弹簧载荷

F

小于失稳时的临界载荷

Fcr。一般取F=Fcr/(2～2.5)，其中临界载荷可按下式计算：

Fcr

=CBkH0

式中，CB为不稳定系数，由下图查取。

如果

F>Fcr，应重新选择有关参数，改变

b

值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax

之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装图b)、c)所示的导杆或导套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。七.弹簧穩定性分析:为了便于制造和避免失稳现象出现，通常26七.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧，还应该进一步对疲劳强度进行验算。如果变应力的循环次数N≤103，或应力变化幅度不大时，应进行静强度验算。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。七.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:对于循环次数较多、27七.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:1疲劳强度验算一般受变应力作用的弹簧，其应力变化规律有τmax=常数和τmin=常数两种