机械设计基础 第14章 弹簧
机械设计基础弹簧
第14章 弹簧
三、弹簧特性曲线
F1 F2 Flim
1
2
...
lim
k
k——弹簧刚度 通常取弹簧的最小工作载荷：
F1 (0.1 0.5) F2
最大工作载荷：
F2 0.8Flim
第14章 弹簧
§14-3 圆柱螺旋弹簧的设计
一、圆柱压缩弹簧的设计 1.弹簧丝直径 d
max
圆柱压缩弹簧的设计
计算弹簧的变形量，验算其稳定性
8F1C 3n 1 Gd
F2 2 1 F1
H0 b D
lim
2
0.8
4 G 8 10 MPa G —— 切变模量。对钢： 式中： 对青铜： G 4 104 MPa
b ——高径比 第14章 弹簧
b 5.3 两端固定： b 3.7 一端固定： b 2.6 两端自由：
F2 340 弹簧的最大变形量： 2 9.1 mm k 37.3
第14章 弹簧
例题（续）
选择弹簧材料：选用d=4mm的60Si2Mn钢丝作为弹簧的材料。 查表：
640Mpa
kF2C
2.确定弹簧的直径：
d 1.6
由于要求D1>16mm，d=4mm，暂取
D D1 d 22 mm
绕旋比C 2.弹簧中径D
7 14 5 12 5 10 4 9 4 8 4
18
6
D Cd
3.弹簧内径D1与外径D2
D1 D d
D2 D d
第14章 弹簧
圆柱压缩弹簧的设计
4.弹簧总圈数 n1 YⅠ型： n2 YⅡ型 ：n2 5.弹簧间距
1.5, 2, 2.5 2, 2.5
机械设计基础-第十四章
§14-1 概述
轴承分为滑动轴承和滚动轴承： 滑动轴承主要应用于转速特高、支 承精度特高、特重型、冲击振动很 大、剖分式轴承、径向尺寸较小等 场合。
§14-2 滑动轴承的典型结构
滑动轴承按其能够承受的载 荷不同分为向心、推力、向心推 力滑动轴承；按其摩擦状态不同 分为液体摩擦和非液体摩擦滑动 轴承
背对背安装（反装）
结论： 首先根据派生力S与轴向力Fa的
方向和大小判断被“放松”和被 “压紧”的轴承,被“放松”轴承的 轴向力A等于其自身派生的轴向力S， 被“压紧”轴承的轴向力等于除去 其自身派生轴向力后其余各轴向力 的代数和。
6、滚动轴承的静载荷： 对于转速极低或基本上不转的轴
承，其失效形式为塑性变形，须按静 强度选择轴承的尺寸。
P0=X0R+Y0A————基本额定静载荷 S0——静强度安全系数
§14-10 轴承装置设计
一、刚性和同心度：
二、轴承的配置：
•
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020
径向基本额定动载荷，用Cr表示 轴向基本额定动载荷，用Ca表示
3、滚动轴承寿命的计算
载 荷 Cr
0 1 2 3 4 5 寿命106转 滚动轴承的载荷寿命曲线
L10
C P
Lh
106 C
60n P
球轴承ε=3；滚子轴承ε=10/3
对高温轴承基本额定动载荷须 乘以温度系数ft
4、滚动轴承的当量动载荷
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。1 0:40:37 10:40:3 710:40 10/24/2 020 10:40:37 AM
《机械设计基础》4版 教学资源 教材习题解答 弹簧习题与参考答案
习题与参考答案一、复习思考题。
1．弹簧有哪些功用？2．常用弹簧的类型有哪些？各用在什么场合？3．制造弹簧的材料应符合哪些主要要求？常用材料有哪些？4．圆柱弹簧的主要参数有哪些？它们对弹簧的强度和变形有什么影响？5．弹簧刚度K的物理意义是什么？它与哪些因素有关？6．什么是弹簧的特性曲线？它在设计中起什么作用？7．设计时，若发现弹簧太软，欲获得较硬的弹簧，应改变哪些设计参数？8．圆柱螺旋弹簧在工作时受到哪些载荷作用？在轴向载荷作用下，弹簧圈截面上主要产生什么应力？应力如何分布？受压缩与受拉伸载荷时，应力状态有什么不同？9．如何确定圆柱螺旋弹簧的许用剪切应力？用碳素弹簧钢丝制造弹簧时，其许用剪切应力[]τ值应如何确定？10．设计弹簧时，为什么通常取弹簧指数C=4~16，弹簧指数C的含义是什么？11．今有A、B两个弹簧，弹簧丝材料、直径d及有效圈数n均相同，弹簧中径D2A大于D2B，试分析：1）当载荷P以同样大小的增量不断增大时，哪个弹簧先坏？2）当载荷P相同时，哪个弹簧的变形量大？12．圆柱形拉、压螺旋弹簧丝最先损坏的一般是内侧还是外侧？为什么？13．设计弹簧如遇刚度不足时，改变哪些参数可得刚度较大的弹簧？14．怎样的装置可把一个圆柱形压缩弹簧作为拉伸弹簧使用？二、选择题1．在圆柱形螺旋拉伸（压缩）弹簧中，弹簧指数C是指。
A、弹簧外径与簧丝直径之比值。
B、弹簧内径与簧丝直径之比值。
C、弹簧自由高度与簧丝直径之比值。
D、弹簧中径与簧丝直径之比值。
2．圆柱拉伸（压缩）螺旋弹簧受戴后，簧丝截面上的最大应力是。
A、扭矩T引起的扭切应力τ'σB、弯矩M引起的弯曲应力bC、剪力F引起的切应力τ''D、扭切应力τ'和切应力τ''之和3．当簧丝直径d一定时，圆柱形螺旋弹簧的旋绕比C如取得太小，则。
A、弹簧尺寸大，结构不紧凑B、弹簧的刚度太小C、弹簧卷绕有困难D、簧丝的长度和重量较大4．设计圆柱拉伸螺旋弹簧时，簧丝直径d的确定主要依据弹簧的A、稳定性条件B、刚度条件C、强度条件D、变形条件三、填空题1．弹簧在工作时常受载荷或载荷作用。
机械设计(14)
涡卷弹簧
板簧
圆柱螺旋弹簧的材料和制造
一、圆柱螺旋弹簧的结构形式
圆柱螺旋压缩弹簧 二、圆柱螺旋弹簧的制造
圆柱螺旋拉伸弹簧
螺旋弹簧的制造工艺包括：
卷制→挂钩的制作或端面圈的精加工→热处理→工艺试及强压处理。
圆柱螺旋弹簧的材料和制造
三、弹簧的材料及许用应力 为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极
弹簧的受力分析 弹簧丝的应力分析 弹簧的变形与刚度分析
F D/2
T=
FD 2
d
F
圆柱螺旋弹簧的设计计算
四、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算 设计方法和步骤:
1) 根据工作情况及具体条件选定材料；
2) 选择旋绕比C，通常可取C ≈5 ~8，并算出补偿系数K值；
3) 根据安装空间初设弹簧中径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d′
d ' 1.6
Fmax KC
5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数：
对于有预应力的拉伸弹簧
n
Gd 8(Fmax F0 )C3
max
对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧
n
Gd 8Fmax C 3
max
6) 检查D2、D1、H0是否符合安装要求等;
7) 验算： 强度验算 振动验算 稳定性验算
机械设计 （14）
第十四章 弹簧
弹簧的功用和类型
圆柱螺旋弹簧的材料和制造 圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算
思考与练习
弹簧的功用和类型
1．弹簧的功用
弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产 生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。
机械设计基础14—18章
14-1解I 为传动轴，II 、IV 为转轴，III 为心轴。
14-2解圆整后取d=37 mm 。
14-3解14-4解按弯扭合成强度计算，即：代入数值计算得：。
14-5解这两个轴都是心轴，只承受弯矩。
两种设计的简化图如下：图14.5 题14-5 解图图14.6 （a ）中，因为是心轴，故，查相关手册得：，则考虑到键槽对轴的削弱，直径再扩大4 % 。
得：图14.6 （b ）中，14-6解故。
14-7解由题可知，，若不计齿轮啮合及轴承摩擦的功率损失，则（i = Ⅰ, Ⅱ,Ⅲ）设：，则，，14-8解1. 计算中间轴上的齿轮受力中间轴所受转矩为：图14.8 题14-8 解图2. 轴的空间受力情况如图14.8 （a ）所示。
3. 垂直面受力简图如图14.8 （b ）所示。
垂直面的弯矩图如图14.8 （c ）所示。
4. 水平面受力简图如图14.8 （d ）所示。
水平面的弯矩图如图14.8 （e ）所示。
B 点左边的弯矩为：B 点右边的弯矩为：C 点右边的弯矩为：C 点左边的弯矩为：5. B 点和C 点处的合成最大弯矩为：6. 转矩图如图14.8 （f ）所示，其中。
7 ．可看出，B 截面为危险截面，取，则危险截面的当量弯矩为：查表得：，则按弯扭合成强度计算轴II 的直径为：考虑键槽对轴的削弱，对轴直径加粗4% 后为：14-9解该题求解过程类似于题14-8 。
在此略。
14-10解钢的切变模量，按扭转刚度要求计算，应使即14-11解1. 求该空心轴的内径空心轴的抗扭截面模量实心轴的抗扭截面模量令，即解得圆整后取。
2 ．计算减轻重量的百分率实心轴质量＝密度×体积空心轴质量空心轴减轻重量的百分率为42.12% 。
15-1答滑动轴承按摩擦状态分为两种：液体摩擦滑动轴承和非液体摩擦滑动轴承。
液体摩擦滑动轴承：两摩擦表面完全被液体层隔开，摩擦性质取决于液体分子间的粘性阻力。
根据油膜形成机理的不同可分为液体动压轴承和液体静压轴承。
机械设计第十四章
碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限Rm(单位:MPa)
YB/T 5311 重要用途碳素弹簧钢丝 E 2020 1920 1830 1760 1680 1610 F 2350 2270 2160 1970 1770 1690 G 1850 1820 1750 1670 1620 1570 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 直径 /mm B 1320 1320 1320 1320 1270 1220 GB/T 4357 碳素弹簧钢丝 C 1570 1520 1520 1470 1470 1420 D 1660 1620 1620 1570 1570 1520 YB/T 5311 重要用途碳素弹簧钢丝 E 1520 1480 1410 1380 1330 1320 F 1620 1570 1500 1480 1440 1420 G 1470 1470 1470 1420 1400 1350
第14章 弹簧
14.1 概 述
弹簧是一种广泛使用的弹性元件。它利用变形将机械功或动能转变为相应的变形 能(位能),或把变形能转变为机械功或动能。 弹簧的主要功用如下: 1)控制运动或零件位置,如离合器中控制弹簧。 2)吸收振动和冲击能量,如汽车、火车的缓冲弹簧。 3)测量力,如测力器、弹簧秤中的弹簧等。 4)储蓄能量,如钟表弹簧、枪械中弹簧等。 工程设计中首先根据工作条件、载荷类型、使用的功能特性、变形量等要求选用 相应的弹簧类型,然后进行结构与性能设计。各类弹簧的尺寸参数可查阅相关国家 标准。 弹簧根据制造成形工艺分为冷卷和热卷弹簧。冷卷弹簧是在常温下卷绕已经预备 热处理的弹簧钢丝并成形,一般只需进行退火处理消除内应力。热卷弹簧是弹簧钢 丝直径较大时需在热状态下进行卷制,卷成后进行淬火和中温回火处理。
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《机械设计基础》习题解答目录第0章绪论-------------------------------------------------------------------1 第一章平面机构运动简图及其自由度----------------------------------2 第二章平面连杆机构---------------------------------------------------------4 第三章凸轮机构-------------------------------------------------------------6 第四章齿轮机构------------------------------------------------------- -----8 第五章轮系及其设计------------------------------------------------------19 第六章间歇运动机构------------------------------------------------------26 第七章机械的调速与平衡------------------------------------------------29 第八章带传动---------------------------------------------------------------34 第九章链传动---------------------------------------------------------------38 第十章联接------------------------------------------------------------------42 第十一章轴------------------------------------------------------------------46 第十二章滚动轴承--------------------------------------------------50第十三章滑动轴承------------------------------------------------ 56第十四章联轴器和离合器-------------------------- 59第十五章弹簧------------------------------------62第十六章机械传动系统的设计----------------------65第0章绪论12-3机器的特征是什么？机器和机构有何区别？[解] 1）都是许多人为实物的组合；2）实物之间具有确定的相对运动；3）能完成有用的机械功能或转换机械能。
《机械设计基础》目录
《机械设计基础》目录第一章绪论11 机械设计的基本概念12 机械设计的发展历程13 机械设计的重要性及应用领域第二章机械设计的基本原则和方法21 机械设计的基本原则211 功能满足原则212 可靠性原则213 经济性原则214 安全性原则22 机械设计的方法221 传统设计方法222 现代设计方法223 创新设计方法第三章机械零件的强度31 材料的力学性能311 拉伸试验与应力应变曲线312 硬度313 冲击韧性314 疲劳强度32 机械零件的疲劳强度计算321 疲劳曲线和疲劳极限322 影响机械零件疲劳强度的因素323 稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算324 不稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算第四章摩擦、磨损及润滑41 摩擦的种类及特性411 干摩擦412 边界摩擦413 流体摩擦414 混合摩擦42 磨损的类型及机理421 粘着磨损422 磨粒磨损423 疲劳磨损424 腐蚀磨损43 润滑的作用及润滑剂的选择431 润滑的作用432 润滑剂的种类433 润滑剂的选择第五章螺纹连接51 螺纹的类型和特点511 螺纹的分类512 普通螺纹的主要参数52 螺纹连接的类型和标准连接件521 螺纹连接的类型522 标准连接件53 螺纹连接的预紧和防松531 预紧的目的和方法532 防松的原理和方法54 螺纹连接的强度计算541 松螺栓连接的强度计算542 紧螺栓连接的强度计算第六章键、花键和销连接61 键连接611 平键连接612 半圆键连接613 楔键连接614 切向键连接62 花键连接621 花键连接的类型和特点622 花键连接的强度计算63 销连接631 销的类型和用途632 销连接的强度计算第七章带传动71 带传动的类型和工作原理711 平带传动712 V 带传动713 同步带传动72 V 带和带轮721 V 带的结构和标准722 带轮的结构和材料73 带传动的工作情况分析731 带传动中的力分析732 带的应力分析733 带传动的弹性滑动和打滑74 带传动的设计计算741 设计准则和原始数据742 设计计算的内容和步骤第八章链传动81 链传动的类型和特点811 滚子链传动812 齿形链传动82 链条和链轮821 链条的结构和标准822 链轮的结构和材料83 链传动的运动特性和受力分析831 链传动的运动不均匀性832 链传动的受力分析84 链传动的设计计算841 设计准则和原始数据842 设计计算的内容和步骤第九章齿轮传动91 齿轮传动的类型和特点911 圆柱齿轮传动912 锥齿轮传动913 蜗杆蜗轮传动92 齿轮的失效形式和设计准则921 轮齿的失效形式922 设计准则93 齿轮的材料和热处理931 齿轮常用材料932 齿轮的热处理94 直齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算941 受力分析942 强度计算95 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算951 受力分析952 强度计算96 锥齿轮传动的受力分析和强度计算961 受力分析962 强度计算97 蜗杆蜗轮传动的受力分析和强度计算971 受力分析972 强度计算第十章蜗杆传动101 蜗杆传动的类型和特点102 蜗杆和蜗轮的结构103 蜗杆传动的失效形式和设计准则104 蜗杆传动的材料和热处理105 蜗杆传动的受力分析和强度计算106 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算第十一章轴111 轴的分类和材料1111 轴的分类1112 轴的材料112 轴的结构设计1121 轴上零件的定位和固定1122 轴的结构工艺性113 轴的强度计算1131 按扭转强度计算1132 按弯扭合成强度计算1133 轴的疲劳强度校核第十二章滑动轴承121 滑动轴承的类型和结构1211 整体式滑动轴承1212 剖分式滑动轴承1213 调心式滑动轴承122 滑动轴承的材料1221 金属材料1222 非金属材料123 滑动轴承的润滑1231 润滑剂的选择1232 润滑方式124 非液体摩擦滑动轴承的设计计算第十三章滚动轴承131 滚动轴承的类型和特点1311 滚动轴承的分类1312 滚动轴承的特点132 滚动轴承的代号1321 基本代号1322 前置代号和后置代号133 滚动轴承的选择1331 类型选择1332 尺寸选择134 滚动轴承的组合设计1341 轴承的固定1342 轴承的配合1343 轴承的装拆1344 滚动轴承的润滑和密封第十四章联轴器和离合器141 联轴器1411 联轴器的类型和特点1412 联轴器的选择142 离合器1421 离合器的类型和特点1422 离合器的选择第十五章弹簧151 弹簧的类型和特点152 弹簧的材料和制造153 圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算第十六章机械系统设计161 机械系统设计的任务和过程162 机械系统总体方案设计163 机械系统的执行系统设计164 机械系统的传动系统设计165 机械系统的支承系统设计第十七章机械设计中的创新思维171 创新思维的概念和特点172 创新思维在机械设计中的应用173 培养创新思维的方法和途径第十八章机械设计实例分析181 简单机械装置的设计实例182 复杂机械系统的设计实例183 设计实例中的经验教训和改进方向。
机械设计基础第十四章.
dd
dd
3）螺钉 与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹
k dd k nn
nn
4）紧定螺钉 锥 端——适于零件表面硬度较低不常拆卸场合 平 端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适 于经常拆卸 圆柱端——压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置.
dd
ll
tt
XX
ll
bb
2——圆柱销
3——弹簧
4——螺钉
重要联接若不能严格控制预紧力，而只靠安装经验来拧紧螺栓时，为 避免螺栓拉断，通常不宜采用小于M12的螺栓，一般采用M12-M24的螺栓
2、螺纹防松
(1)、防松目的 螺纹联接一般都能满足自锁条件，拧紧后螺母和螺栓头部等支承面 上也有防松作用，所以在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接不会自 动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情 况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联 接失效。 螺纹联接一旦失效，将严重影响机器的正常工作，甚至造成事故。因 此，为保证联接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。
4）螺 距 P ——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离 5）导程（S）——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面母线上的对应两点 间的轴向距离 6）线 数 n ——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4 螺距、导程、线数之间关系：S =nP
7 ） 螺 旋 升 角 λ —— 中 径 圆 柱 面 上 螺 旋 线 的 切 线 与 垂 直 于 螺 旋 线轴线的平面的夹角 tan λ = S/π d2 = nP/π d2 8）牙型角α ——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角β ——螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角
机械设计基础-弹簧
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1 FF2 lim
最小工作载荷: 弹簧在安装位置所受压 力，它能使弹簧可靠地 稳定在安装位置上。 F1=（0.1~0.5）F2
最小变形--- λ1
最大工作载荷--- F2
在F2的作用下，τmax<[τ ]
F
F2Flim压缩弹簧的
特性曲线
F1 arctEgk
λ1 λ0
λ
λ2
λlim
max
lim
Flim
（b）
Flim
（c）
当工作载荷大于F0时，弹 簧才开始伸长。
图15－5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线
对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取 为F min=(0.1~0.5) F max ；
对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0 ； 弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取 Fmax0.8Flim
因此，为保持弹簧的线性特性，弹簧的工作变形 量应取在（0.1~0.8）lim范围。
15.4 圆柱螺旋弹簧的设计计算
主要任务：根据弹簧的使用要求，确定弹簧的结构尺 寸和参数，并满足强度、刚度、稳定性及结构要求。
一、弹簧的应力 弹簧在受压或受拉时，受
力情况是一样的。
弹簧的强度条件为：
max
K
8FC
d 2
优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高 的强度，适宜的韧性和塑性。
缺点：当d>12 mm，不易淬透，故仅适用于小 尺寸的弹簧。
合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。 优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作 温度较高的弹簧。
有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 优点：耐腐蚀性好，防磁性、弹性好。
非金属材料：塑料、橡胶等。
机械设计基础 第十四章
(3) 弹性柱销联轴器
如图14-6所示，弹性柱销联轴器(LX型，GB/T5014-2003， 附表5) 是用尼龙柱销将两个半联轴器连接起来。这种联轴器结 构简单，维修安装方便，具有吸振和补偿轴向位移及微量径向 位移和角位移的能力。允许径向位移为0.1~0.25 mm。
图14-6 弹性柱销联轴器
14.1 联轴器 14.1.1 联轴器的功能和分类
联轴器是机械传动中一种常用的轴系部件，它的基本功 用是连接两轴，有时也用于连接轴和其他回转零件，以传递 运动和转矩。有时也可作为一种安全装置用来防止被连接机 件承受过大的载荷，起到过载保护的作用。
联轴器所连接的两轴，由于制造和安装的误差，承载后 的变形以及温度变化、轴承磨损等原因，都可能使被连接的 两轴相对位置发生变化，如图14-1所示。
14.3 制动器
制动器是用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的 装置。制动器通常装在机构中转速较高的轴上，这样所需制 动力矩和制动器尺寸可以小一些。
14.3.1 制动器的类型
制动器的分类有很多种，常见的有以下几种：
按照制动零件的结构特征，制动器可分为带 式、块式、盘式等形式的制动器。
按机构不工作时制动零件所处状态，制动器可 分为常闭式和常开式两种制动器。
图14-3 夹壳联轴器
2. 可移式联轴器
(1) 十字滑块联轴器
如图14-4所示，十字滑块联轴器是由两个端面带槽的半联 轴器1和3以及一个两面具有凸榫的浮动盘2所组成。浮动盘的 两凸榫互相垂直并分别嵌在两半联轴器的凹槽中，凸榫可在 半联轴器的凹槽中滑动。利用其相对滑动来补偿两轴之间的 偏移。
图14-4 十字滑块联轴器
图14-10 牙嵌式安全离合器
机械设计基础_第14章
2-带轮、1-轴端挡圈
阶梯轴：其形状通常是中间大、两端小，
右端：6-右端轴承、3-左端轴 承端盖
中间向两端依次减小，以便于拆装。
箱体，剖分式箱体
齿轮定位安装
1）齿轮轴向定位： 右侧定位轴肩，高于轴径(4) 3mm~5mm； 左端套筒定位。
2）齿轮周向定位：键连接； 键的长度小于轴段（4）的长度
3）轴段（4）的长度要小于齿轮轮毂 的长度
第14章 轴
2. 符合零件的安装、固定、调整原则以及轴的 加工工艺规范
3. 轴的结构应满足：轴和装在轴上的零件要有准确
的工作位置；轴上零件应便于拆装和调整；轴应具有良 好的工艺性。
轴的组成
• 轴头：轴和旋转零件的配合部分
• 轴颈：轴和轴承配合的部分
• 轴身：连接轴颈与轴头部分 • 轴肩(轴环)：轴的直径变
1.钢 ┌碳素钢 ┌优质碳素钢：35、45、50
│
└普通碳素钢：Q235、Q255、Q275
└合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr、40CrNi、 35SiMn、 35CrMo
2.球墨铸铁: QT500-5、QT600-2 →曲轴、凸轮轴
注意：①采用合金钢并不能提高轴的刚度，只能提高其强度
和耐磨性。
②零件在轴上的周向定位及固定: 键联接、花键联接、过盈配合、销联接、成形联接
※2.轴上零件要便于装拆、调整
3. 轴应有良好的制造工艺
→ 轴的设计要便于加工及热处理, 因而要注意: 1.轴肩处要有过渡圆角
2.键槽应位于同一母线上 3.螺纹退刀槽 4.砂轮越程槽 • 加工方法不同，轴的结构也可能不同 • 键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽
3) 左端轴承处挡圈去掉
机械设计基础14弹簧
当外力作用方向沿弹簧的轴 线方向时，弹簧会产生压缩 变形。
拉伸弹簧
当外力作用方向与弹簧的轴 线方向相反时，弹簧会产生 拉伸变形。
扭转弹簧
当外力作用在弹簧的端面或 沿弹簧的轴线方向扭转时， 弹簧会产生扭转变形。
弹簧的结构和工作原理
螺旋弹簧
由圆截面的金属丝卷绕而成，在 外力作用下螺旋弹簧产生变形。
板簧
扭簧
由若干个弯曲的金属板叠加而成， 力作用时扭簧会发生扭转变形。
弹簧的应用领域
1 汽车工业
弹簧在汽车中被广泛用于悬挂系统、刹车系统、座椅和发动机等部件。
2 机械工业
弹簧在机械设备中用于减震、保持力和传递力等方面。
3 电子工业
弹簧在电子开关、插座和卡扣等装置中起到重要的连接和固定作用。
弹簧设计的基本原则
• 选择合适的材料和强度 • 确定弹簧的最大工作力 • 确定变形量和刚度要求 • 考虑环境和使用条件
弹簧形状和尺寸的选择
弹簧的形状和尺寸应根据设计要求、工作环境和成本因素进行选择，以满足性能和可靠性要求。
弹簧设计的注意事项和常见问题
在弹簧设计过程中，需要注意材料疲劳、变形限制、装配和安装等问题，并解决弹簧共振、噪音和失效等常见 问题。
机械设计基础14弹簧
在机械设计中，弹簧是一种重要的机械元件。本节课将介绍弹簧的定义、分 类、结构和工作原理、应用领域、设计原则、形状和尺寸的选择, 以及注意事 项和常见问题。
弹簧的定义
弹簧是一种具有弹性的机械零部件，用于储存和释放机械能。它能够在受到外力作用后变形，当外力消失时恢 复原状。
弹簧的分类
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8F2 D 8F2C k k 3 2 d d
kF2C
d 1.6
4C 1 0.615 式中： k 4C 4 C D C ——绕旋比 d
第14章 弹簧
圆柱压缩弹簧的设计
表: 绕旋比
弹簧丝直径d 0.2 0.4 0.5 1.0 1.1 2.2 2.5 6 7.0 16
4.弹簧间距
0
5.弹簧节距 t
td
6.自由高度H0
H0 nt 两端挂钩的轴向长度
7.弹簧展开丝长度
L Dn1 两端钩环的展开长度
8.螺旋升角
t arctg D
第14章 弹簧
例题
一个供蒸煮器用的立式小锅炉。炉顶上采用微启式安全阀。 已知：阀座通径D0=32mm,要求阀门起跳汽压P1=0.33MPa,阀门 行程λ0=2mm，全开时弹簧受力F2=340N，结构要求弹簧 的内径D1>16mm。若现有d=4mm的60Si2Mn钢丝。 试设计：安全阀的压缩弹簧。
绕旋比C 2.弹簧中径D
7 14 5 12 5 10 4 9 4 8 4
18
6
D Cd
3.弹簧内径D1与外径D2
D1 D d
D2 D d
第14章 弹簧
圆柱压缩弹簧的设计
4.弹簧总圈数 n1 YⅠ型： n2 YⅡ型 ：n2 5.弹簧间距
1.5, 2, 2.5 2, 2.5
第14章 弹簧
2.圆柱螺旋拉伸弹簧
分两种情况： 无预应力：各圈并紧，但相互间没有力的作用。 有预应力：各圈并紧，相互间有一定压力作用。 结构形式： LⅠ型：挂钩半圆形 LⅢ型：挂钩圆形 LⅦ型：另装挂钩 LⅧ型：另装挂钩，且挂钩可旋转。
第14章 弹簧
二、圆柱螺旋弹簧的制造
1.工序 卷制。 端面加工或挂钩制作。 热处理及工艺性试验。 2.技术要求 表面光洁，没有裂纹和伤痕，脱碳层应符合国家规定。
6
§14-2 圆柱螺旋弹簧的结构和制造
一、圆柱螺旋弹簧的结构 1.圆柱螺旋压缩弹簧 支承圈或死圈的定义： 工作时不参与变形，仅起支承作用的弹簧圈数。 有磨平或不磨平两种。 结构形式： YⅠ型：两端并紧且磨平。 YⅡ型：两端并紧但不磨平。 YⅢ型：两端不并紧也不磨平。 弹簧总圈数：
n1 = n(有效圈数) n2 (支承圈数), n1 ≥ 2 n1取0.5的倍数
二、圆柱拉伸弹簧的设计
1.弹簧丝直径 d
d 1.6
kF2C
2.弹簧内径D1与外径D2
D1 D d
D2 D d
n2 0 支承圈数：LⅠ型与LⅢ型：
3.弹簧总圈数 n1 G d n 有效圈数： 8 FC 3 弹簧总圈数：n1 第14章 弹簧
n n2
二、圆柱拉伸弹簧的设计
第14章 弹簧
弹簧的功用 控制机构的运动或零件的位置。 缓冲及吸振。 储存能力作为动力源。 测量力的大小。
第14章 弹簧
弹簧的种类
1.按受力形式分： 拉伸 压缩 扭转
第14章 弹簧
弹簧的种类
2.按弹簧形状分：
螺旋弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 平面涡形 板形弹簧
第14章 弹簧
三、材料及许用应力
F
λ
λ λ14章 弹簧
例 题( 续)
解： 1.分析已知条件 此弹簧为安全阀用，为重要弹簧，按Ⅱ类载荷计算。 弹簧所受最小工作载荷F1应等于起跳时的压力。
F1 p1
弹簧刚度： k
D02
0.33 32 265.4 N 4 4
2
F2 F1
0
340 265.4 37.3 N mm 2
n n2
7.螺旋升角
弹簧总圈数：n1
t arctg D 5 9
8.弹簧丝展开长度L 及自由高度H0
2
0.8n
6.弹簧节距 t
t d
第14章 弹簧
Dn1 L cos H0 nt (n2 0.5)d YⅠ型： H0 nt (n2 1)d YⅡ型 ：
D 22 C 5.5 查图：k=1.28 d 4
第14章 弹簧
例题（续）
d 1.6 kF2C
1.28 340 5.5 1.6 3.09 mm 640
说明d=4mm的弹簧直径满足强度要求。 3.确定弹簧各参数
Gd 80000 4 6.45 6.5 圈 弹簧的圈数： n 3 3 8C k 8 5.5 37.3
1.材料 常用材料： 碳素弹簧钢：65，70，80 t 120℃，d 12mm 合金弹簧钢：硅锰钢，铬钒钢 有色金属合金：硅青钢，锡青钢等 2.许用应力 许用应力与载荷性质有关 Ⅰ类载荷：作用次数在10 以上的变载荷 3 5 Ⅱ类载荷：作用次数在 10 10 以上的变载荷 3 Ⅲ类载荷：作用次数在10 以上的变载荷 3 Ⅳ载荷：作用次数在10 以下的变载荷 对碳素弹簧钢，弹簧钢丝可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ三组。 第14章 弹簧
第14章 弹簧
三、弹簧特性曲线
F1 F2 Flim
1
2
...
lim
k
k——弹簧刚度 通常取弹簧的最小工作载荷：
F1 (0.1 0.5) F2
最大工作载荷：
F2 0.8Flim
第14章 弹簧
§14-3 圆柱螺旋弹簧的设计
一、圆柱压缩弹簧的设计 1.弹簧丝直径 d
max
圆柱压缩弹簧的设计
计算弹簧的变形量，验算其稳定性
8F1C 3n 1 Gd
F2 2 1 F1
H0 b D
lim
2
0.8
4 G 8 10 MPa G —— 切变模量。对钢： 式中： 对青铜： G 4 104 MPa
b ——高径比 第14章 弹簧
b 5.3 两端固定： b 3.7 一端固定： b 2.6 两端自由：
F2 340 弹簧的最大变形量： 2 9.1 mm k 37.3
第14章 弹簧
例题（续）
选择弹簧材料：选用d=4mm的60Si2Mn钢丝作为弹簧的材料。 查表：
640Mpa
kF2C
2.确定弹簧的直径：
d 1.6
由于要求D1>16mm，d=4mm，暂取
D D1 d 22 mm
t 7 arctg arctg 5.8 (在 5 9 之间) D 22
弹簧两端各并紧一圈并磨平，则总圈数：
n1 n 2 8.5 圈
第14章 弹簧
例题（续）
弹簧丝展开长度：
Dn1 L 590mm cos
自由高度：
H0 n (n1 0.5)d 6.5 3 (8.5 0.5) 4 51.5mm
弹簧内径：D1 外径：D2 第14章 弹簧
D d 22 4 18 mm 16 mm
符合要求。
D d 26 mm
例题（续）
9.1 弹簧间距： 1.75 mm 取 3mm 0.8n 0.8 6.5
t 弹簧节距：
螺旋升角：
2
d 4 3 7mm
验算稳定性：
H 0 51.5 b 2.34 3.7 D 22
稳定性合格。 第14章 弹簧
第14章 弹簧 重点学习内容
1.弹簧的功用、类型及材料。 2.圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的结构、制造 及设计计算。
第14章 弹簧