第16章 弹簧教学文案

第16章弹簧

第16章弹簧

16.1 弹簧的功用和类型

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载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其特殊要求的。

16.1.1 弹簧的功用

弹簧的主要功用有：①控制机构的运动或零件的位置，例如离合器、凸轮机构、阀门及调速器中的弹簧；②缓冲及吸振，例如汽车、火车车厢下的减振弹簧，各种缓冲器中的弹簧；③储存能量作为动力源，例如机械钟表、仪器、玩具等使用的发条、枪栓弹簧；④测量力和力矩，例如弹簧秤、测力器中的弹簧等。

16.1.2 弹簧的类型

弹簧的种类很多，按其形状的不同可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等。如图16-1所示:

螺旋弹簧环形弹簧碟形弹簧平面涡卷弹簧板弹簧

图16-1

按承受载荷的不同分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。如图

16-2所示:

拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧

图16-2

16.2 弹簧的材料与制造

16.2.1 弹簧的材料及许用应力

工作性质和条件对弹簧材料的要求是多方面的。为保证弹簧的变形始终在弹性范围内，弹簧材料必须具有较高的弹性极限；对于经常承受交变或冲击载荷的弹簧，其材料还应具有较高的疲劳极限和足够的韧性；为了便于弹簧的制造，材料还要具有良好的塑性和热处理性能等。弹簧的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。选择弹簧材料时，应充分考虑弹簧的工作条件、功用、重要性和经济性等因素。碳素弹簧钢，如65、70、85钢等，其价格便宜，供应充足，热处理后具有较高的强度、适宜的韧性和塑性，故应用最广。但它的弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，不适合在高于120℃的温度下工作；弹簧钢丝直径大于12mm时，不易淬透，只适用于制造小尺寸的弹簧。合金弹簧钢，如硅锰钢和铬钒钢等，用于制作承受变载荷、冲击载荷或工

作温度较高的弹簧。有色金属合金，如硅青铜、锡青铜和铍青铜等，用于制作在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧。

几种常用弹簧材料的性能见表16-1

表16-1

表16-2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度B

Ⅲ组1650 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1050 1050 1000

16.2.2 弹簧的制造

螺旋弹簧的制造工艺包括卷绕、两端面加工(压缩弹簧)或制作挂钩(拉伸弹

簧和扭转弹簧)、热处理工艺实验，必要时还需进行强压处理或喷丸处理。

卷制是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万

能自动卷簧机上卷制；单件小批生产时，则在普通车床上或在手动卷绕机上卷

制。

弹簧的卷绕方法有冷卷和热卷两种。弹簧丝直径小于8～10 mm时用冷卷

法，反之，则用热卷法。冷卷法是用已经过热处理的冷拉碳素弹簧钢丝在常温

下卷绕，卷成后一般不再经淬火处理，只经低温回火以消除内应力。热卷需先

加热(通常为800℃～1000℃，按弹簧丝直径大小选定)，卷成后再经淬火和回

火处理。

为了提高弹簧的承载能力，在弹簧制成后，可再进行强压处理或喷丸处理

等强化措施。强压处理是使弹簧在超过极限载荷下受载6～48小时；喷丸处理

是用一定的速度向弹簧喷射钢丸或铸铁丸。这两种强化处理都是使弹簧的表层

产生塑性变形，保留有利的残余应力。由于残余应力的方向恰与工作应力相

反，故在弹簧受载时可抵消部分工作应力。经强化处理的弹簧，不宜在较高温

度(150℃～450℃)和长期振动及有腐蚀介质的场合工作。

此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧技术条件的规定进行精度、冲

击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。需特别指出的是，弹簧的持

久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况。所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。

16.3 圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析

下面讨论的是在Ⅲ类载荷 (静载荷) 作用下弹簧的应力、变形和计算。 16.3.1 弹簧的应力

应力计算的目的是确定簧丝的直径。图16-3(a)所示是被截去下部的压缩弹簧，截面通过弹簧的轴线。弹簧在最大工作载荷F 2作用下，该截面上作用着剪

力2F 和扭矩。由于弹簧的螺旋升角α很小(通常在5°～9°范围内)，为简化计算，把该截面作为弹簧丝的法截面，即截面积为圆面积；同时考虑到剪力引起的应力远比扭矩引起的应力小，亦将其略去。由材料力学可知，弹簧丝截面上的最大应力为

2max 3

8=F D d τπ 精确的分析应该计入弹簧螺旋升角和曲率的影响，此时弹簧丝截面上应力分布如图16.3(b)所示，在其内侧a 点处有最大值。为补偿上述简化计算带来的误差，引入曲度系数k ，且令=/C D d ，C 称为旋绕比，其中D 为弹簧中径，d 为弹簧丝带直径，mm 。则弹簧丝的强度条件为：

22max 3288[]F D F k

kC d d

ττππ==≤ （16-1）

（a ）截面受力 （b ）截面应力

图16-3 弹簧丝的应力分析

于是弹簧丝直径 d ≥ (16-2) 式中：[]τ——弹簧材料的许用应力(MPa)

曲度系数k 为 410.61544C k C C

-=+- (16-3) 式(16-1)、式(16-2)也适用于拉伸弹簧的计算。

16.3.2 弹簧的变形

变形计算的目的是确定弹簧的有效圈数，即工作圈数。由材料力学可知，有效圈数为n 的压缩弹簧在载荷F 的作用下，其轴向变形量为 33488FD n FC n Gd Gd

λ== （16-4） 于是弹簧圈数 33

88G d Gd n FC kC λ== (16-5) 式中：λ——弹簧变形量(mm)；

G ——弹簧材料的切变模量(MPa)，钢：=8104G ⨯ MPa ，青铜：=4104G ⨯ MPa

式(16-3)、式(16-4)适用于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧。对于有预应力的拉伸弹簧，应以0F F -代替式中的F 。

旋绕比和弹簧刚度是弹簧设计中的两个重要参数。由式(16-5)可知，弹簧刚度

38F

Gd k C n

λ== （16-6） 可见，旋绕比C 对弹簧刚度k 影响很大。在弹簧丝直径d 和其他条件相同的情况下，C 值越小，k 越大，弹簧越硬，卷制就越困难，因此C 值不宜取得