弹簧设计规范(常用类型)

弹簧设计规范
一、弹簧的功能
弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。

很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。

其主要功能有：
⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。

⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。

⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。

⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。

二、弹簧的类型、特点和应用
弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。

各种弹簧的特点、应用见表1。

在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。

故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。

三、弹簧使用的材料及其用途
弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。

但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。

合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。

弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。

碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。

直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。

对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。

其他弹簧钢材料还有：65Mn, 50CrMn, 30W4Cr2V等。

a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。

b、大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度～850度左右之油或水中，再施以400度～500度的温度回火。

c、小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，捲成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。

d、琴钢丝是属高炭钢材（0.65～0.95%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。

e、不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。

f、油回火线含碳量0.6～0.7%应含锰，0.6～1.0%常用于螺圈弹簧。

g、板弹簧常用0.9～1.0%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。

弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。

同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。

常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。

几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。

周围介质，工作时间等）、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。

如碳素弹簧钢的价格低，强度高，性能好，广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧；合金钢的强度高，弹性好，耐温高，适用于尺寸较大及承受冲击载荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧；铜合金的耐腐和抗磁性好，但强度低，适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。

表3为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。

非金属弹簧的材料主要是橡胶，另外还有塑料、软木和空气等。

弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸，弹簧的工作条件和重要程度有关，弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类（见表2）；循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为Ⅰ类；循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为Ⅱ类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为Ⅲ类。

碳素弹簧钢的强度高、性能好，供应充足，应用广泛，适于制造弹簧丝直径d≤13mm的弹簧。

按照用途分为三级：B级（d＝0.08-10mm）用于低应力弹簧；C级d＝0.08-10mm用于中等应用弹簧；D级（d＝0.08-6.0mm）用于高应力弹簧。

碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限σb见表3。

四、弹簧设计资料
压缩弹簧(无研磨) 压缩弹簧(研磨) 弹簧定数：K=（G×d4）/（8×D3×Na）
弯曲应力：τ=（8×D×P）/（πd3）×K
K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C
荷重：P=K×δ
（安全确认）
安全角（间隔角）：14度以下
弹簧指数：4—13
扭转应力：容许限界以下
第1荷重（A）：0.8L以下
第2荷重（B）：1.2M以上
引张弹簧
荷重：P = kδ+ Pi
初张力：Pi =（πd4G）/（800D2）
弹簧定数：K=（Gd4）/（8D3Na）
弯曲应力：τ=（8DP）/（πd3）×k
自由长：L0= d(N+1)+2.2(D-d)
（安全确认）
扭转应力：容许限界以下
弯曲应力：容许限界以下
初张力的减少：（最大引张时）
扭力弹簧
(臂长度的场合)
弹簧定数不清：kTd =（Ed4）/[3667D×N+389(a1+a2) ]
荷重：P =（kTd×φd）/R
弯曲应力：σ=（Ed×φd）/（360D×N）
σ=（32P×R）/（πd3）×kb
(安全确认)：kb =（4C2–C-1）/[4C(C-1)]
弯曲应力：容许限界以下
4.1、弹簧设计使用的基本公式
4.1.1、压缩弹簧与没有初始张力的拉伸弹簧
4.1.2、有初始张力的拉伸弹簧
+ 4.2、设计弹簧时应考虑的因素
4.2.1
4.2.2
压缩弹簧
分别表示螺旋两端的端部磨平圈数
图a-c 中闭口型，X1=X2=1
图d-f 中开口型，X1=X2=0.75
拉伸弹簧：N a=N t
4.2.3、螺旋端部形状
（a）闭口端（无磨削）（b）闭口端（磨削）（c）闭口端（锥形）
（d）开口端（无磨削）（e）开口端（磨削）（f）开口端（锥形）
（g）开口端3/4端部磨平圈（无磨削）（h）正切尾端（无磨削）（i）抽头尾端（无磨削）
4.2.3、应力修正系数
相对于弹簧指数c的应力修正系数取决于下式或图
4.2.4、其它应考虑的事项
⑴、弹簧指数c：弹簧指数减小会导致局部应力过大。

另外，弹簧指数较大或较小时，加工性也成问题。

因此，热轧成型时，弹簧指数可在4～15的范围内选择。

冷轧成形时，弹簧指数可在4～22的范围内选择。

⑵、纵横比：为了确保有效圈数，压缩弹簧的纵横比（自由高度与螺旋平均直径之比）可设定为0.8以上，另外，在考虑到端部磨平圈的情况下，一般可在0.8～4范围内选择。

⑶、有效圈数：如果有效圈数为3以下，弹簧特性则会变得不稳定，因此应将弹簧指数设定为3以上。

⑷、节距：节距超过0.5D时，由于螺旋直径通常会随着绕曲量(负载)的增加而发生变化，需要对利用基本公式求出的绕曲量与扭转应力进行修正，因此应将节距设定为0.5D以下。

五、弹簧电镀相关资料。