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1、機械五金標准件認識與應用之二,彈簧的認識與應用,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.,一.弹簧分类:,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,3.扭轉弹簧,4.彎曲弹簧,一.弹簧分类:,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:,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
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。,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。,图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系,三.弹簧材料:,三.弹簧材料:,三.弹簧材料:,
3、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。,四.弹簧制造:,螺旋弹簧的制造工艺过程如下：绕制；钩环制造；端部的制作与精加工；热处理；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d8mm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
4、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（d8mm）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。,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
5、，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:,2 弹簧刚度,2、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
6、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:,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。,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
7、。,六.弹簧參數:,六.弹簧參數:,六.弹簧參數:,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面上将作用着：扭矩 T=FRcos，弯矩 M=FRsin，切向力FQ=Fcos和法向力 NF=Fsin（式中R为弹簧的平均半径）。由于弹簧螺旋角的值不大（对于压缩弹簧为690）,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。的值较小时，cos 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
8、算方法可以一并讲述。,七.弹簧受力分析:,七.弹簧強度分析:,七.弹簧剛度分析:,七.弹簧穩定性分析:,七.弹簧穩定性分析:,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N103，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:,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max=常数和min=常数两种。因此，可根据力学疲劳强度理论与相应计算公式，进行应力幅安全系数、最大应力安全系数的计算。对于弹簧钢丝也可按下述简化公式进行验算,式中，0-弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限（MPa），当弹簧材料为碳素钢丝、不锈钢丝、铍青铜丝等材料时，可根据循环次数N由表中查取。表20-4 弹簧材料的脉动疲劳极限0,注：1.经喷丸处理的弹簧，0可提高20%；2.对于硅青铜丝、不锈钢丝，取0.35B。min、max-最小、最大切应力（MPa）；Fmin、Fmax-最小、最大工作载荷（N）；S-许用安全系数，当弹簧计算和材料的性能数据精确度高时，取1.3 1.7；精确度较低时，取1.8 2.2。,七,.受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算:,2静强度验算,END,
