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1、第18章 弹 簧,18-1 弹簧的功用和类型,18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形,18-3 弹簧的制造、材料和许用应力,18-5 其他弹簧简介,18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计,工作特点：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。,功用：1.控制机构运动或零件的位置;如凸轮机构、离合器、阀门等；,18-1 弹簧的功用和类型,3.存储能量;如钟表仪器中的弹簧；,4.测量力的大小。如弹簧秤中的弹簧,螺旋弹簧,圆柱形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,类型：,分类,2.缓冲吸振;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；,分类,螺旋弹簧,圆柱
2、形,截锥形,按形状分,按受载分,拉伸弹簧,压缩弹簧,扭转弹簧,环形弹簧,平面涡圈弹簧 仪表中储能用,板弹簧,碟形弹簧,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,一、弹簧的应力,已知条件如图。,18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形,截面受力：,剪切应力：,剪切应力：,设计：潘存云,设计：潘存云,C-旋绕比，或弹簧指数。,-弹簧的曲度系数,强度条件：,截面总切应力：,设计公式：,其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得,精确分析可得如下公式：,设计：潘存云,设计：潘存云,二、弹簧的变形,在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形，取微段分析,微段轴向变形量d：,C,k,C值过小 制造困难，内
3、侧应力；,取值范围：C=416,C值过大 弹簧容易颤动。,n为有效圈数,钢：G=8104 Mpa,青铜：G=4104 Mpa,G-材料的切变模量：,根据材料力学有关圆柱螺旋弹簧变形的计算公式,设计：潘存云,一、弹簧的制造,18-3 弹簧的制造、材料和许用应力,二、弹簧的材料,制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。,冷卷：d10 mm,热卷：d 10 mm,低温回火，消除应力,淬火、回火,经强压处理可提高承载能力。,强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。,要
4、求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能。,材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。,碳素弹簧钢：含碳量在0.60.9%之间，如65、70、85,合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。,有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。,优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强 度，适宜的韧性和塑性。,缺点：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。,优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。,选用原则：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。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。,三、弹簧的许用应力,弹簧的许用应力主
5、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：,I类弹簧：受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。,II类弹簧：受变载荷作用次数在103 105，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。,III类弹簧：受变载荷作用次数在103，或受静载荷的 弹簧。,设计：潘存云,设计：潘存云,18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计,一、结构尺寸和特性曲线,1.压缩弹簧的结构尺寸,压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距。,支承圈或死圈-两端有3/45/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。,磨平,端部磨平-重要弹簧,端部不磨平-一般用途,
6、磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4,压缩弹簧的总圈数：,n1=n+(1.52.5),为使工作平稳，n1的尾数取1/2,变形用,n为有效圈数,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,节距：t=d+,式中2为最大工作载荷F2作用时的变形量。,通常 t(0.30.5)D2,=59,螺旋升角：,弹簧丝的展开长度:,自由高度:,H0=n+(n1+1)d,H0=n+(n1-0.5)d,对于两端并紧磨平结构,弹簧的并紧高度：Hs=,(n1+1)d,(n1-0.5)d,两端并紧不磨平结构：,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。,措施：内部加装导向杆、
7、或外部加导向套。,注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。,b=H0/D2,高径比：,5.3,3.7,两端固定的弹簧,一端固定，另一端铰支的弹簧,失稳,设计：潘存云,2.压缩弹簧的特性曲线,特性曲线-载荷变形曲线,压缩弹簧的特性曲线,设计：潘存云,最小工作载荷:,F1=（0.20.5）F2,最大工作载荷-F2,在F2的作用下，max,弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧可靠地稳定在安装位置上。,极限载荷-Flim,压缩弹簧的特性曲线,最小变形-1,对应的变形-2,极限变形-lim,0.8n 保证不并紧,弹簧刚度：,弹簧势能 E,3.拉伸弹簧的结构特点,a)各圈相互并紧=0；,b)制作完
8、成后具有初拉力；,c)端部做有拉钩，以便安装和加载。,拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。,改进后的结构,拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。,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、弹簧设计计算步骤,设计要求：,有足够的强度,符合载荷-变形曲线的要求（刚度要求）,不发生侧弯(失稳),已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形2，其他 要求（如工作温度、安装空间的限制等）,计算步骤：,1)选择弹簧材料及结构形式,3)求应力：,5)确定弹簧的圈数n；,2)计算弹簧刚度：k=F2/2,4)求簧丝直径：,
9、6)确定弹簧的结构尺寸,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,18-5 其他弹簧简介,一、圆柱螺旋扭转弹簧,端部结构:,特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。,作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保 持电刷的接触压力等。,设计：潘存云,当力矩为M时，若很小，则可认为扭簧只承受弯矩。,强度条件：,扭转变形：,W-截面系数,1.25,E-材料的弹性模量，I-弹簧丝截面的惯性矩，D2-弹簧的中径，n-弹簧的有效圈数。,1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。,2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残
10、余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载能力。,3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减小而抱轴。,设计要点：,设计：潘存云,二、碟形弹簧,结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用,载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。,特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。,重要特性：当h/t1.5时，中间一段接近于水平。,利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,加载,卸载,碟形弹簧组合形式,对合式组合弹簧-,变形量增加，承载力不变。,由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。,吸振能力,复合式弹簧：,叠合式组合弹簧-,摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振,在变形量不变时，承载力大大增加。,摩擦消耗的能量-阴影面积,可同时增加变形量和承载能力,优点：,变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。,用途：,常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广泛地应用。,缺点：,用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造困难。,
