机械设计基础（第5版）课件：弹簧

弹簧第一节弹簧的功用与类型

机械中的多数零件是刚性零件，而弹簧是弹性零件。它能多次重复地随外载荷的大小作相应的弹性变形，卸载后又能立即恢复变形。通过变形把机械功或动能转换成变形能，亦可将变形能转换成机械功或动能。一.弹簧的功用1.测量力的大小

利用弹簧受力后变形量的大小来测量重量，如弹簧秤。2.控制运动如内燃机阀门控制弹簧。阀门控制弹簧1—凸轮2—控制弹簧3—阀座4—气阀推杆3.缓冲和吸振4.储能和释能

钟表发条（弹簧）汽车减振弹簧二.弹簧的类型1.按受载性质分1）拉伸弹簧2）压缩弹簧3）扭转弹簧4）弯曲弹簧

板弹簧弯曲弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋扭转弹簧2.按弹簧的形状分1）螺旋弹簧圆柱形圆锥形2)环形弹簧（等刚度）（变刚度）

由带有内、外锥形的钢制圆环交错重叠组成的压缩弹簧，具有很大的缓冲和吸振能力，是一种强力弹簧，常用于重型车辆、火炮和飞机起落架的重型缓冲装置中。

环形弹簧3）碟形弹簧

由薄钢板冲压而成的截锥形弹簧，呈无底盘状。使用时将多个碟形弹簧组合，装在导杆或套筒中，只能承受轴向压缩载荷。刚性大，吸振能力强。

常用在空间尺寸小，外载荷又很大的缓冲、减振装置中。4）盘簧

亦称平面涡卷弹簧，由钢带盘绕而成，为阿基米德蜗线形结构。圈数多，变形角大，储能量大。常用作仪器、仪表的储能装置。平面涡卷弹簧碟形弹簧5）板簧

由若干长度不等的条状钢板叠合并用簧夹夹紧而成。工作时受弯曲作用，吸振能力强。主要用于车辆及重型锻压设备的减振装置。此外还有；

橡胶弹簧—广泛用于仪器的坐垫，发动机的支承及机器的减振器等。

空气弹簧—利用储存在密闭容器中的压缩空气实现弹簧作用。广泛用于车辆的悬挂装置，及航空、船舶、建筑和冶金等部门。第二节弹簧的制造、材料与许用应力一.弹簧的制造１.卷制（代号：Y—冷卷压簧，L—冷卷拉簧）大量生产时，在万能自动卷簧机上卷制，单件或小批量生产时可用车床卷制或用手动卷绕机手工卷制。１）冷卷（代号：Y—冷卷压簧，L—冷卷拉簧）簧丝直径d<8~10mm时，簧丝热处理后在常温下直接卷制。２）热卷（代号：RY—热卷压簧，RL—热卷拉簧）

簧丝直径d>8~10mm时或d<8~10mm，但螺旋弹簧的直径较小时，在800~10000C下卷制。2.端部加工

重要的压缩弹簧要求其两端承压面与轴线垂直，两端面应在专用磨床上磨平。拉簧和扭簧在端部制有挂钩和工作臂。3.热处理

对于冷卷弹簧一般进行低温回火，以消除卷制时产生的内应力。对于热卷弹簧需进行淬火和中温回火处理。4.工艺实验

在对螺旋弹簧施加2~3次工作极限载荷后，检查热处理和制造精度是否符合要求。5.强化处理及表面处理

强压处理—在超过工作极限载荷下，持续强压6~8小时。喷丸处理—用钢丸或铁丸以一定速度冲击弹簧。

目的是使簧丝表层产生塑性变形，和有益的残余应力，提高弹簧的承载能力。表面处理—对重要的弹簧进行表面镀锌，普通弹簧涂油漆。

二.弹簧的材料和许用应力1.对材料的性能要求

弹簧材料应具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和热处理性能。以满足成受变载荷及冲击载荷的要求。2.常用材料1）碳素弹簧钢（65、70、85钢等）

价格低，热处理后具有较高的强度，适宜的韧性和塑性。但弹性极限低，重复变形后会失去弹性，工作温度不宜高于1200C。当d>12mm时不宜淬透。常用于制造一般用途的小尺寸的弹簧。2）合金弹簧钢

锰钢（65Mn、硅锰弹簧钢（62是Si2MnA）、(铬钒钢50CrVA)等。用于制造承受较大变载荷或冲击载荷的弹簧。3）不锈钢和铜合金

用于制造在潮湿或腐蚀性介质中工作的弹簧。机械性能差，不易热处理，在一般机械中很少使用。3.许用应力弹簧材料的许用应力取决于材料的种类和弹簧类别。弹簧按载荷性质分为三类；I类—受变载荷循环次数N>106或重要的弹簧；II类—受变载荷循环次数N=103~105或承受冲击载荷的弹簧；

III类—受变载荷循环次数N<103以下或基本为静载荷的弹簧。

如：内燃机的阀门弹簧。如：调速器弹簧或车辆弹簧。如：安全阀、摩擦离合器中的弹簧。碳素弹簧钢的等级：B级—用于低应力弹簧；C级—用于中应力弹簧；D级—用于高应力弹簧。常用弹簧材料的力学性能见P244~P245表14-2和14-3。第三节圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计设计内容：1.确定几何参数；2.强度计算；3.刚度计算；4.稳定性计算。一.圆柱螺旋弹簧的端部结构1.压缩弹簧死圈（支承圈）

只起支承作用，不参与变形的并紧端圈。通常为0.75~1.25圈。支承圈的形式

a)两个端圈与邻圈并紧且磨平（YI、RYI型）

b)两端圈制成扁状并紧不磨平或磨平（RYII型、热卷）c)两端圈并紧不磨平（YII型）d)两端圈并紧（YIII型）

对于重要的弹簧两端圈应并紧并磨平，以保证两支承面与弹簧的轴线垂直。使弹簧受压时不致产生歪斜。圆柱螺旋压缩弹簧的端部结构a)YⅠ、RYⅠ型b)RYⅡ型c)YⅡ型d)YⅢ型2.拉伸弹簧

a、b两种类型在过渡处有较大弯曲应力，故只适用于中小载荷和不重要的场合。当载荷较大时，宜采用c、d型。圆柱螺旋拉伸弹簧的端部结构a)半圆钩环（LⅠ、RLⅠ型）b)圆钩环（LⅡ、RLⅡ型）c)可调式拉簧（LVⅡ型）d)可转钩环（LVⅢ型）二.圆柱螺旋弹簧的几何参数1.弹簧丝直径dd由强度计算确定，并取标准值。3.弹簧指数C（旋绕比）2.弹簧直径中径D2=Cd外径D=D2+d内径D1=D2-dC=D2/d

C是弹簧的重要参数，一般4≤C≤16，常用C=5~8,设计时由表14-5根据弹簧丝直径确定。圆柱螺旋弹簧的基本几何参数a)压缩弹簧b)拉伸弹簧4.节距p压簧：p=(0.28~0.5)D2拉簧：p=d5.螺旋升角α一般取α=50~906.轴向间隙δ压簧：δ=p-d，最小间隙δ1≥0.1d拉簧：δ=0圆柱螺旋弹簧的基本几何参数a)压缩弹簧b)拉伸弹簧7.有效圈数nn由刚度计算确定，n≥2。8.总圈数n1冷卷压簧：热卷压簧：拉簧：n1=n

括号中数值为支承圈数（死圈），其位于弹簧两端，不参与变形。有磨平、不磨平两种结构，重要弹簧应磨平。磨平长度不小于3/4圈，磨平簧丝末端厚度近于d/4。圆柱螺旋弹簧的基本几何参数a)压缩弹簧b)拉伸弹簧10.弹簧自由高度H0两端并紧、磨平的压簧：两端并紧、不磨平的压簧：拉簧：H0=nd+钩环轴向长度11.高径比b9.弹簧丝展开长度L压簧：拉簧：L≈πD2n+钩环展开长度。

圆柱螺旋弹簧的基本几何参数a)压缩弹簧b)拉伸弹簧三.圆柱螺旋弹簧的特性1.弹簧指数（14-1）

C是反映弹簧特性的重要参数。C值越大，弹簧越软，刚性小，容易变形和绕制；反之，弹簧越硬，刚性大，不易变形和绕制。2.弹簧特性曲线

弹簧特性曲线—表明弹簧受载与变形之间关系的曲线。1)等节距圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线为一直线。

H0—弹簧未受载荷时的自由高度。H1—弹簧受初始载荷F1作用压缩后的高度。(压缩量λ1)H2—弹簧受最大工作载荷F2作用压缩后的高度。（压缩量λ2

）Hj—弹簧受极限载荷Fj作用压缩后的高度。（压缩量λj

）工作行程：h=λ2-λ1=H2-H1圆柱螺旋压缩弹簧的特性线a)载荷与变形关系b)特性曲线2.圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线1）无初拉应力的特性曲线

如图b),与压缩弹簧的特性线相同2）有初拉应力的特性曲线

如图c),该种弹簧卷制后各圈相互并紧，在自由状态下即受初拉力F0

。

受载时需先克服假想变形量X，弹簧才开始伸长。受载相同时，有初拉应力的弹簧比无初拉应力弹簧的实际伸长量小，可节省空间尺寸。圆柱螺旋拉伸弹簧的特性线a)载荷与变形关系b)无初拉应力特性曲线c)有初应力特性曲线各载荷值的确定：a.当d<5mm时，

b.当d>5mm时,最小工作载荷：.初拉力：F1≥0.2Fj有初拉应力时应使F1>F0。最大工作载荷：

F2≤0.8Fj

弹簧的工作变形量应为（0.2~0.8）λj，以保持弹簧的线性特性。

在弹簧的工作图上应绘出弹簧的特性线，作为弹簧制造、检验和试验的依据之一。四.圆柱螺旋弹簧的强度计算1.强度计算的目的确定簧丝直径d2.受力分析

忽略螺旋升角α的影响，当压缩弹簧受轴向载荷F2时：作用在簧丝截面上的载荷有：剪力F2转矩T=F2D2/2最大切应力发生在弹簧丝截面的内侧，即图中M点。弹簧丝截面a)弹簧丝截面受力分析b)弹簧丝截面应力分布3.断裂强度条件：（14-2）弹簧丝直径计算公式：（14-3）［τ］—弹簧材料的许用切应力，由表14-2及表14-3查取。K—弹簧的曲度系数，考虑弹簧的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，由表14-6查取。五.圆柱螺旋弹簧的刚度计算1.刚度计算的目的确定弹簧的有效圈数n。2.有效圈数计算弹簧的轴向变形量：（14-4）有效圈数：（14-5）3.弹簧的刚度（14-6）普通螺旋弹簧的特性曲线为直线，故其刚度为常数。几点注意事项：1.弹簧的有效圈数：n≥2，以保证弹簧具有稳定的性能。2.对于拉伸弹簧当n>20时，应将n圆整成整圈数；当n<20时，可圆整成1/2圈数，3.对于压缩弹簧n的尾数宜取1/4、1/2或整圈数。4.对于有初拉力的拉伸弹簧

应用公式（14-4）、（14-5）和