弹簧设计

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20.1.1 弹簧分类
弹簧的种类很多，若按照其所承受的载荷性质，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按 照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。表中列出的是各种弹簧的基本型式。
按载荷分来自百度文库按形状分
拉伸
圆柱螺旋 拉伸弹簧
螺旋形
基本要求
通过对本章的学习，应掌握各种弹簧的特点、应用、弹簧参数对弹簧性能的影响及其合理选择；掌握圆柱螺旋弹簧设计的 基本理论、基本设计方法和设计过程。
20.1 弹簧的类型及功用
20.1.1 弹簧分类 20.1.2 弹簧功用
20.2 弹簧的材料与制造
20.2.1 弹簧材料 20.2.2 材料选择 20.2.3 弹簧制造
图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系
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类 别
代号
碳素弹簧钢丝 Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ
表20-2 主要弹簧材料及其许用应力
许用扭应力[tT]
Ⅰ类弹 Ⅱ类弹 Ⅲ类弹
簧
簧
簧
0.3σb 0.4σb 0.5σb
许用弯曲应力[σb]/MPa Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧
0.5σb
0.625σb
切变模量 G/GPa
弹性模 量
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各种模具方弹簧
钢板蜗卷弹簧
各种蝶形弹簧
各种摇窗机弹簧
宝塔弹簧
钢板圆柱螺旋
各种规格拉簧、扭簧、平面蜗卷弹簧
卡圈、档圈、阀片、筒圈、弹簧
各种变径变节异型弹簧
化工化肥阀弹簧
各种规格压簧
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气配、摩托、连轴器弹簧
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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。
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20.2.3 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。
残余应力分布
工作应力分布
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。
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20.2.2 材料选择
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。
E/GPa
81.5～ 204～ 78.5 202
推荐硬 度范围
HRC
推 荐 使 用 温 度° C
特性及用途
-40 强度高，性能
- ～ 好，适于做小
120
弹簧
60Si2Mn 60Si2MnA
471
627
785
785
钢
丝 65Si2MnWA 60Si2CrVA
560
745
931
931
30W4Cr2VA
50CrVA
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第20章 弹簧\20.3 弹簧工作原理\20.3.1 弹簧特性曲线
第20章 弹簧\20.3 弹簧工作原理\20.3.1 弹簧特性曲线
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20.3.1 弹簧特性曲线
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：
442
588
735
735
1Cr18Ni9Ti(SUS332241) 432
540
540
不 锈
4Cr13
钢
442
588
735
735
Co40CrNiTiMo
500
666
834
834
981 1167 920 677 920 1000
78.5
71.5 75.5 76.5
45～50
-40 ～ 200
弹性好，回火 稳定，易脱 碳，适于做受 大载荷的弹簧
197
47～52
-40 ～ 250
强度好，耐高 温，弹性好
43～47
-40 ～ 350
高温强度好， 淬透性好。
-40 高疲劳强度， 45～50 ～ 淬透性和回火
210 稳定性好
193
-
250 ～ 300
耐腐蚀，耐高 温，适于做小
弹簧
-40 耐腐蚀，耐高
215 48～53 ～ 温，适于做大
300
弹簧
-40 耐腐蚀，高强
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第20章 弹簧\20.1 弹簧的类型及功用\20.1.2 弹簧功用
第20章 弹簧\20.1 弹簧的类型及功用\20.1.2 弹簧功用
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20.1.2 弹簧功用
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（见图a）； 2）吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减振弹簧（见图b）及各种缓冲器的弹簧等； 3）存储和释放能量，例如钟表弹簧（见图c）、枪栓弹簧等； 4）测量力的大小，例如弹簧秤（见图d）和测力器中的弹簧等等。
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第20章 弹簧\20.3 弹簧工作原理\20.3.2 弹簧刚度
第20章 弹簧\20.3 弹簧工作原理\20.3.2 弹簧刚度
20.3.2 弹簧刚度
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1、定义：
下：
弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用C和CT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如
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。
2、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
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。
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图 a 直线型
图 b 刚度渐增型
图 c 刚度渐减型
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20.3 弹簧工作原理
20.3.1 弹簧特性曲线 20.3.2 弹簧刚度
20.4 圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计
20.4.1 圆柱弹簧参数及几何尺寸 20.4.2 弹簧的强度计算
20.4.2.1 弹簧的受力 20.4.2.2 弹簧的强度 20.4.2.3 弹簧的刚度 20.4.2.4 稳定性计算
20.5 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算
第20章 弹簧
第20章 弹簧
第20章 弹簧
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弹簧是机器中广泛应用的一种弹性零件。其种类很多，而圆柱螺旋弹簧制造简便、成本低，在机械制造中使用的最为普 遍。本章介绍了各种弹簧的特点及其适用场合，并以圆柱螺旋（压缩与拉伸）弹簧为例，对弹簧设计的基本理论、基本设计方 法和设计过程进行了讨论。
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第20章 弹簧\20.2 弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.2 材料选择
第20章 弹簧\20.2 弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.2 材料选择
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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
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图a
图b
图c
图d
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第20章 弹簧\弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.1 弹簧材料
第20章 弹簧\20.2 弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.1 弹簧材料
20.2.1 弹簧材料
197
= ～ 度，无磁，低
500 后效，高弹性
Qsi-3
青
QSn4-3
铜
丝
Qbe2
265
353
442
442
353
442
550
550
550
40.2 39.2
93
HB90～
耐腐蚀，防磁
120 -40
好
735
42.2
129.5
37～40
～ 120
耐腐蚀，防 磁，导电性及
弹性好
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tlim：Ⅰ类￡1.67[t]；Ⅱ类￡1.25[t]；Ⅲ类￡1.12[t]。 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。
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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。
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第20章 弹簧\20.2 弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.3 弹簧制造
第20章 弹簧\20.2 弹簧材料、选材和弹簧制造\20.2.3 弹簧制造
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第20章 弹簧\20.4 圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计\20.4.1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸
第20章 弹簧\20.4 圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计\20.4.1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸
20.4.1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸
1、弹簧的主要尺寸
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压缩
圆柱螺旋 圆锥螺旋 压缩弹簧 压缩弹簧
扭转 圆柱螺旋
扭转弹簧
弯曲 ---
其它形
---
环形弹簧 蝶形弹簧
蜗卷形弹簧
板簧
螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。盘簧具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪 表、钟表的动力装置。板弹簧能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较 好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。下面给出了各种类型弹簧的实物图。
20.5.1 疲劳强度计算 20.5.2 静强度验算
本章小结 本章学习指南
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第20章 弹簧\20.1 弹簧的类型及功用\ 20.1.1 弹簧分类
第20章 弹簧\20.1 弹簧的类型及功用\20.1.1 弹簧分类