弹簧 (扭簧)

(2) 计算弹簧丝直径d
由式
得 K=1.21
由式
得 d≥4.1mm
由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。
试算二
(1) 仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得 sb=1520MPa，[t]=0.41sb=623MPa。
(2) 计算弹簧丝直径。得d≥3.91mm。知d=4mm满足强度条件。 (3) 计算有效工作圈数n。查表可知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2
9）自由高H0: 弹簧在未受外力作用下的高度。 由下式计算：H0 = nt+(n2-0.5)d = nt+1.5d (n2=2时)
10）弹簧展开长度L：绕制弹簧时所需钢丝的长度。 L≈ЛDn1(压簧) L≈ЛDn1+钩部展开长度（拉簧）
11）螺旋方向：有左右旋之分，常用右旋，图纸没注明的一般用右旋。 12) 弹簧旋绕比 C；中径D与钢丝直径d之比。
扭转弹簧的运用
扭簧 （180°）
扭转弹簧设计图纸示例
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（二）弹簧的规定画法
（1）在平行螺旋弹簧线的视图上，各圈的轮廓线画成直线。 （2）有效圈数在4圈以上的弹簧，可只画出其两端1～2圈（不含支撑圈）。
中间用通过弹簧钢丝中心的点画线连起来。 （3）在图样上，当弹簧的旋向不作规定时，螺旋弹簧一律画成右旋，左旋
弹簧也画成右旋，但要注明“左”字。
图纸实例
三、弹簧的分析与设计
因为工作圈数由6.11改为6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应 有所变化。
由式
得：
λmin=λmax－h=(17.77-10)mm=7.77mm
(5) 求弹簧的节距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧丝展开长度L 在Fmax作用下相邻两圈的间距δ≥0.1d=0.4mm，取δ=0.5mm，则无载荷作用 下弹簧的节距为 p=d+λmax/n+δ1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm p基本符合在(1/2～1/3)D2的规定范围。 端面并紧磨平的弹簧自由高度为
（三）圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤
已知条件：最大工作载荷Fmax 和相应的变形λmax，其他要求（如工作温度、 安装空间的限制等） 设计确定：弹簧丝直径、弹簧中经、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。
设计步骤
1）选择弹簧材料及许用应力，以及扭簧的结构形式： 2）选择旋绕比C，通常可取C ≈5 ～8，并算出补偿系数
簧等。 ③ 储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。 ④ 用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为
弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。
弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大 的弹性变形，把机械功或动能转化为弹性势能，而卸载后弹簧的变形消失并回复 原状，将弹性势能转化为机械功或动能。
（二）圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计
弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸， 使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应 的设计指标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。
1. 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）、 功用及经济性等因数，一般应优先采用碳素弹簧钢丝。
c. 复查并校核弹簧特性，其中包括弹簧刚度、变形量、工作载荷和试验 载荷等数值是否符合设计要求。
d. 按此步骤一般需选取几个 C 值同时计算，比较其结果，选取最优方案。
e. 弹簧的主要尺寸参数确定后，计算弹簧的其他几何尺寸。
（1）自由长度 Ho = nt+(n2-0.5)d = nt+1.5d (n2=2时) （2）展开长度 L = πDn1/cos α ≈ ЛDn1 （其中α 为螺旋角，压缩弹簧推荐用值为5° ～ 9°）
例题 设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，簧丝剖面为圆形。已知最小载荷 F min=200N，
最大载荷 F max=500N，工作行程h=10mm，弹簧Ⅱ类工作，要求弹簧外径不超过 28mm，端部并紧磨平。
试算一
(1)选择弹簧材料和许用应力。 选用C级碳素弹簧钢丝。
根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得 sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。
3）根据安装空间初设弹簧中经D，由C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的 许用应力；
4）试算弹簧丝直径，检查尺寸是否合适。
5）根据变形条件弹簧有圈数
6）导杆直径
其中φs为试验弯曲应力； 对于Ⅰ类和Ⅱ类载荷的弹簧，再有些情况下可取φs=（1.1～1.3）φBp， 但其值不得超过最大试验弯曲应力值。
7）其余尺寸参数 自由长度 Ho =np + d + 扭臂在弹簧轴线上的长度 展开长度 L = πnD +扭臂展开长度
由式
得n=6.11
取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。
这一计算结果即满足强度与刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又 是一个较优的解，可将这个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作 稳定性校核。
(4) 确定变形量λmax、λmin、λlim和实际最小载荷Fmin
弹簧的极限载荷为：
（四）弹簧的分类
按受力性质
拉伸弹簧、
压缩弹簧、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
扭转弹簧、
线弯曲弹簧
按形状分类
碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、平面涡卷弹簧以及扭杆弹簧等。
（四）弹簧的分类
1） 什么是拉伸弹簧？
拉伸弹簧是承受轴向拉力的螺旋弹簧，拉伸弹簧一般都用圆截面材料制造。在 不承受负荷时，拉伸弹簧的圈与圈之间一般都是并紧的没有间隙。
（一）圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的相关计算
C —— 旋绕比，C = D/d ； D —— 弹簧中径（mm）； d —— 材料直径（mm）； k —— 弹簧刚度（N/mm）； U —— 弹簧变形能（N·mm）； f —— 工作载荷下的变形量（mm）；
F —— 弹簧的工作载荷（N）；
τ —— τp—— n —— G —— K ——
（二）弹簧的常用材料
制作弹簧的主要材料有：不锈钢弹簧线、优质碳素弹簧钢丝，耐疲劳合 金弹簧钢丝,磷铜丝，镀锌镀镍丝、及各种进口弹簧线材料，高低温弹簧线特 殊材料。
（三）弹簧主要功能
① 控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。 ② 吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹
2. 弹簧的载荷类型
３. 弹簧设计步骤
设计弹簧时， 当给出弹簧的工作条件、工作载荷F和变形量 f，其计算步骤大体如下：
a. 先根据工作条件确定弹簧的载荷类型，选择材料，查取许用切应力
τp，然后在 5～8 的范围内初步选取旋绕比 C ，由式 （16.1-8）计算材料直径d，并圆整为标准值。
b. 由式 D = C * d 计算出弹簧中径 D ，在由式（16.1-9）计算有效圈 数n 。
二 、 弹簧规格参数尺寸
（一）基础知识
1）弹簧丝直径d: 制造弹簧的钢丝直径。 2）弹簧外径D: 弹簧的最大外径。 3）弹簧内径D1：弹簧的最小外径。 4）弹簧中径D2：弹簧的平均直径。
它们的计算公式为： D2＝（D＋D1）÷2＝D1＋d＝D－d 5）除支撑圈外，弹簧相邻两圈对应点在 中径上的轴向距离成为节距，用 t表示。 6）有效圈数n: 弹簧能保持相同节距的圈数。 7）支撑圈数n2：为了使弹簧在工作时受力均 匀，保证轴线垂直端面、制造时，常将弹簧两端并紧。并紧的圈数仅起支撑作用， 称为支撑圈。 一般有1.5T、2T、2.5T，常用的是2T。 8）总圈数n1: 有效圈数与支撑圈的和。 即n1=n+n2。
2） 什么是压缩弹簧？
压缩弹簧是承受向压力的螺旋弹簧，它所用的材料截面多为圆形，也有用矩形和 多股钢萦卷制的，弹簧一般为等节距的，压缩弹簧的形状有：圆柱形、圆锥形、中凸 形和中凹形以及少量的非圆形等，压缩弹簧的圈与圈之间有一定的间隙，当受到外载 荷时弹簧收缩变形，储存变形能。
3） 什么是螺旋弹簧？
螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成螺旋 形。扭转弹簧的端部结构是加工成各种形状的扭臂，而不是勾环。扭转弹簧常用于机 械中的平衡机构，在汽车、机床、电器等工业生产中广泛应用。
弹簧 (扭簧)
一. 弹簧概述 二. 弹簧的参数尺寸 三. 弹簧分析设计 四. 扭转弹簧相关知识
版本：v1.0 制作：范生烈 时间：11.17.2014
一.弹簧概述
（一）基本解释
◎ 弹簧 tán huáng 用弹性材料制成的零件在外力作用下发生形变,除去外力后又恢复原状。
弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控制机 件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等，广泛用于机器、仪 表中。
取标准值H0=52mm。 无载荷作用下弹簧的螺旋升角为
基本满足γ=5°～9°的范围。 弹簧簧丝的展开长度
(6) 稳定性计算 b=H0/D2=52/24=2.17
采用两端固定支座，b=2.17<5.3，故不会失稳。
压缩弹簧的应用举例
压缩弹簧
四、扭转弹簧相关知识
（一）扭簧概述
扭转弹簧属于螺旋弹簧。扭转弹簧的端部被固定到其他组件，当其他组件 绕着弹簧中心旋转时，该弹簧将它们拉回初始位置，产生扭矩或旋转力。扭 转弹簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一 装置。这类弹簧通常是密身的，但是，簧圈之间有节距以减少摩擦。它们对 旋转或旋转外力产生阻力。根据应用要求，设计扭转弹簧的旋向（顺时针或 逆时针），从而确定弹簧的旋向。
（二）扭簧弹簧的应用
扭转弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控 制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等 广泛应用于计算 机，电子，家电，照相机，仪器，门，摩托车，收割机，汽车，等行业！中高 端扭转弹簧的制造商有美国联合弹簧等公司等。
生产设备主要设备有：数字化控制多功能电脑卷簧机、机械自动卷簧机、 磨簧机、热处理设备、大型热卷弹簧生产线、质量检测仪器。
切应力（Mpa） ； 许用切应力（Mpa）； 弹簧的有效圈数 ； 切变模量（Mpa） ； 曲度系数，由下式计算 。
K = (4C-1)/(4C-4) + 0.615/C (16.1-7)
由上述公式得出材料直径公式
压缩弹簧，Fo=0. 试验载荷为弹簧允许承受的最大载荷，其值如下：
对于I类和Ⅱ类载荷的弹簧，在某些情况下可取 τs = （1.1-1.3）τp， 或取 Fs = （1.1-1.3）Fn 。但其值不得超过最大试验切应力值，或 对应的最大试验载荷值。