第11章弹簧设计机械设计（华中科技大学）

1、第十一章 弹簧设计,一、概述,1. 弹簧的基本类型,圆柱螺旋 拉伸弹簧,圆柱螺旋 压缩弹簧,截锥螺旋 压缩弹簧,环形弹簧,碟形弹簧,圆柱螺旋 扭转弹簧,涡卷形弹簧,板弹簧,圆柱螺旋 拉伸弹簧,圆柱螺旋 压缩弹簧,圆柱螺旋 扭转弹簧,截锥螺旋 压缩弹簧,环形弹簧,碟形弹簧,涡卷形弹簧,板弹簧,2. 弹簧的功用,吸振、缓冲,完成预定的运动,储存或释放能量,测量力的装置,3. 弹簧的材料,弹簧经常受到交变和冲击载荷,(1) 要求,经久不变的弹力,高的静强度和疲劳强度,耐冲击,良好的塑性变形,热处理性能好,(2) 常用材料,碳素弹簧钢：,适于做小的或要求不高的弹簧,合金弹簧钢；,热处理性能好、用于受载

2、较大的弹簧,不锈钢：,耐腐蚀,按载荷性质 弹簧分成三类,I 类：,II 类：,III 类：,承受变载、冲击 作用次数,承受变载、冲击 作用次数,承受变载或不太重要的弹簧 作用次数,非金属材料 (橡胶弹簧等),二、圆柱螺旋拉、压弹簧的设计,1. 弹簧的结构,(1) 压缩弹簧,两端面圈并紧磨平,支承端面与轴线垂直,LI、LII型：,两端面圈并紧不磨平,(2) 拉伸弹簧,LVII型：,YI型：,YIII型：,挂钩可转任意方向、用于受力较大场合,挂钩过渡处弯曲应力大、簧丝,YI型,YIII型,LI型,LII型,LVII型,2. 弹簧的几何尺寸,簧丝直径,外径,内径,中径,节距,螺旋升角,压簧自由高度,

3、有效圈数,总圈数,拉簧长度,弹簧指数,衡量弹簧曲率重要参数,弹簧软、易变形,容易绕制,产生颤动、不稳定,通常取,或按表选,3. 弹簧的特性曲线,(1) 压缩弹簧,弹簧所受载荷与变形的关系曲线,自由高度,未受载,受,高度,变形,受,高度,变形,受,高度,变形,产生的,产生的应力达到材料剪切弹性极限,工作行程,弹簧刚度,(2) 拉伸弹簧,自由高度,未受载,受,高度,变形,受,高度,变形,受,高度,变形,工作行程,弹簧刚度,无初应力的弹簧,有初应力的弹簧,绕制时各圈间有一定的压紧力， 簧丝中产生一定的预紧力 F0 ， 当工作载荷大于 F0 时，弹簧才能伸长,为产生假想变形量 x 的初拉力 F0,弹簧

4、刚度,上部：,小,下部：,大,受载后，下部先压紧，上部再压缩,4. 弹簧的设计准则,满足强度条件,满足刚度条件,满足稳定性条件,满足强度条件,满足刚度条件,强度条件,刚度条件,簧丝直径 d,弹簧圈数 n,稳定性验算,(1) 强度条件,叠加后剪切应力最大值,考虑弹簧曲率及螺旋升角的影响最大剪切应力,最大扭剪应力,剪切力,剪应力,转矩,在靠近弹簧 轴线的一侧,簧丝受扭是曲杆受扭,内侧单位长度扭转变形大,曲度系数,校核式：,设计式；,(2) 刚度条件,外载 F 所做功 弹簧储存变形能,由材料力学知,转矩,极惯性矩,剪切弹性模量,受扭长度,弹簧变形量：,弹簧刚度：,计算工作圈数：,应圆整为0.5的整数

5、倍 且大于2,(3) 稳定性条件 (对压缩弹簧),两端固定 b5.3,一端固定一端自由 b3.7,两端自由 b2.6,未满足上述要求，则需要进行稳定性验算,临界载荷,不稳定系数,高径比,5. 弹簧的设计步骤,(1) 设计要求,已知：,尺寸限制和工况,设计：,其他尺寸,绘制工作图,最大工作载荷,最小工作载荷,工作行程,簧丝直径,工作圈数,具体做法,选,预选,(2) 实例,1) 初选 C,初选弹簧指数 C 7 5.2 6,设计压簧，II类方式工作，端部并紧磨平,2) 计算 n,剪切模量 G 79000 79000,3) 实际变形量,4) 其他几何尺寸,5) 稳定性验算,三、其它弹簧简介,1. 圆柱螺旋扭转弹簧,设计方法 与圆柱螺旋拉、压弹簧相似,强度条件,变形条件,簧丝直径 d,弹簧圈数 n,2. 碟形弹簧,刚度很大的压缩弹簧,受轴向载荷,锥角 减小,产生轴向变形,U 为弹簧所吸收的变形能,卸载过程与加载过程重合,吸收的能量全部释放,加载近似为直线OA,卸载为曲线OBA,阴影面积为摩擦耗能,OAC面积为吸收的变形能,3. 环形弹簧,受轴向载荷,内环直径减小 外环直径增大,弹簧压缩,刚度相当大的压缩弹簧,卸载开始的AB段为直线，弹性内力 需要先克服摩擦力，故不能立即恢 复变形,卸载为AB段和BO段,达70%，