弹簧结构介绍2
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1. 压缩弹簧的结构尺寸 变形用
压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距δ 。
支承圈或死圈----两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站立 平直，这部分不参与变形。
端部磨平----重要弹簧 磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4
端部不磨平---- 一般用途
d/4
压缩弹簧的总圈数：
δ
n1 = n+(1.5~2.5) n为有效圈数
为使工作平稳，
n1的尾数取1/2
磨平
不磨平
节距：t = d +δ
间距: δ ≥
λ2 0.8n
式中λ2为最大工作载荷F2作用时
t
的变形量。
螺旋升角： α = arctg
t πD2
H0
通常 t ≈ (0.3~0.5)D2 弹簧丝的展开长度:
,
α= L=
5˚~9˚ πD2 n1 cosα
自由高度:
两端并紧不磨平结构：
2)计算弹簧刚度：k= F2/ λ2
3)求应力：
8FC
d 2
1
0.5 C
4)求簧丝直径： d 1.6 KFC
[ ]
5)确定弹簧的圈数n
6)确定弹簧的结构尺寸
§18-5 其他弹簧简介
一、圆柱螺旋扭转弹簧 特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。
δ
端部结构:
作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保 持电刷的接触压力等。
F 加载
卸载 λ
叠合式组合弹簧---- 在变形量不变时，承载力大大增加 。 摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振 复合式弹簧： 可同时增加变形量和 承载能力
优点： 变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。
用途：
常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在 离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广 泛地应用。
二、碟形弹簧 结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用
载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。
特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。
重要特性：当h/t≈1.5时，中间一段接近于水平。
利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密 仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影 响；在密封垫圈中利用这一特性使பைடு நூலகம்封性能不受温度的影响。
机械设计基础
第十八章 弹簧
自用盘编号JJ321001
第18章 弹 簧
§18-1 弹簧的功用和类型 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 §18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计 §18-5 其他弹簧简介
§18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计
一、结构尺寸和特性曲线
当力矩为M时，若α很小，则可认为扭簧只承受弯矩。
强度条件：
K1
M W
44CC14K1
32MM
dd33
[ ]
W----截面系数 [σ ] ≈ 1.25[τ]
扭转变形： Ml MD2n
rad
EI EI
E----材料的弹性模量，I----弹簧丝截面的惯性矩，
D2----弹簧的中径， n----弹簧的有效圈数。
0
常数
弹簧势能 E
Hlim
H2 H1 H0
自由高度
3. 拉伸弹簧的结构特点 a) 各圈相互并紧δ=0； b) 制作完成后具有初拉力； c) 端部做有拉钩，以便安装和加载。
拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、 改进后的结构 转钩、可调转钩。
特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力 大。应用于中小载荷与不重要的场合。
特点：弯曲应力小。适用于变载荷 的场，但成本较高。
拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。
二、弹簧设计计算步骤
有足够的强度
设计要求： 符合载荷---变形曲线的要求（刚度要求）
不发生侧弯(失稳)
已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形λ2，其他 要求（如工作温度、安装空间的限制等）
计算步骤：
1)选择弹簧材料及结构形式
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
F1 arctEgk λ1 λ0
特性曲线
λ
λ2
λlim
对应的变形--- λ2 <0.8nδ 极限载荷--- Flim
保证不并紧
F1
F2Flim
极限变形--- λlim
弹簧刚度：k
F1
1
F2
2
F2 F1
缺点： 用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工
精度、热处理）要求较严，制造困难。
注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。
失稳
加装导向杆 加装导向套
2. 压缩弹簧的特性曲线
F
特性曲线-- 载荷—变形曲线
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1
F2Flim
自用盘编号JJ321002
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=（0.2~0.5）F2
M M
φ
M M
扭转弹簧的载荷
设计要点：
1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙， 以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。
2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的 最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反 向（抵消），从而提高承载能力。
3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减 小而抱轴。
D1 F
F
h t =2.75
h
h t =0.5
t D
h t =1.5
自用盘编号JJ321002
簧片变平点
O
1
2
3
4 y /t
碟形弹簧组合形式 对合式组合弹簧---- 变形量增加，承载力不变。
由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。
摩擦消耗的能量-----阴影面积 ↑ → 吸振能力↑
H0=nδ+(n1+1)d
Hs Hs
对于两端并紧磨平结构
H0=nδ+(n1-0.5)d 弹簧的并紧高度： Hs =
(n1+1)d (n1-0.5)d
F2
δ
α
D2
< 5.3 两端固定的弹簧 高径比：b= H0 / D2 < 3.7 一端固定，另一端铰支的弹簧 当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。 措施：内部加装导向杆、或外部加导向套。
压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距δ 。
支承圈或死圈----两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站立 平直，这部分不参与变形。
端部磨平----重要弹簧 磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4
端部不磨平---- 一般用途
d/4
压缩弹簧的总圈数：
δ
n1 = n+(1.5~2.5) n为有效圈数
为使工作平稳，
n1的尾数取1/2
磨平
不磨平
节距：t = d +δ
间距: δ ≥
λ2 0.8n
式中λ2为最大工作载荷F2作用时
t
的变形量。
螺旋升角： α = arctg
t πD2
H0
通常 t ≈ (0.3~0.5)D2 弹簧丝的展开长度:
,
α= L=
5˚~9˚ πD2 n1 cosα
自由高度:
两端并紧不磨平结构：
2)计算弹簧刚度：k= F2/ λ2
3)求应力：
8FC
d 2
1
0.5 C
4)求簧丝直径： d 1.6 KFC
[ ]
5)确定弹簧的圈数n
6)确定弹簧的结构尺寸
§18-5 其他弹簧简介
一、圆柱螺旋扭转弹簧 特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。
δ
端部结构:
作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保 持电刷的接触压力等。
F 加载
卸载 λ
叠合式组合弹簧---- 在变形量不变时，承载力大大增加 。 摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振 复合式弹簧： 可同时增加变形量和 承载能力
优点： 变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。
用途：
常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在 离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广 泛地应用。
二、碟形弹簧 结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用
载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。
特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。
重要特性：当h/t≈1.5时，中间一段接近于水平。
利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密 仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影 响；在密封垫圈中利用这一特性使பைடு நூலகம்封性能不受温度的影响。
机械设计基础
第十八章 弹簧
自用盘编号JJ321001
第18章 弹 簧
§18-1 弹簧的功用和类型 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 §18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计 §18-5 其他弹簧简介
§18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计
一、结构尺寸和特性曲线
当力矩为M时，若α很小，则可认为扭簧只承受弯矩。
强度条件：
K1
M W
44CC14K1
32MM
dd33
[ ]
W----截面系数 [σ ] ≈ 1.25[τ]
扭转变形： Ml MD2n
rad
EI EI
E----材料的弹性模量，I----弹簧丝截面的惯性矩，
D2----弹簧的中径， n----弹簧的有效圈数。
0
常数
弹簧势能 E
Hlim
H2 H1 H0
自由高度
3. 拉伸弹簧的结构特点 a) 各圈相互并紧δ=0； b) 制作完成后具有初拉力； c) 端部做有拉钩，以便安装和加载。
拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、 改进后的结构 转钩、可调转钩。
特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力 大。应用于中小载荷与不重要的场合。
特点：弯曲应力小。适用于变载荷 的场，但成本较高。
拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。
二、弹簧设计计算步骤
有足够的强度
设计要求： 符合载荷---变形曲线的要求（刚度要求）
不发生侧弯(失稳)
已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形λ2，其他 要求（如工作温度、安装空间的限制等）
计算步骤：
1)选择弹簧材料及结构形式
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
F1 arctEgk λ1 λ0
特性曲线
λ
λ2
λlim
对应的变形--- λ2 <0.8nδ 极限载荷--- Flim
保证不并紧
F1
F2Flim
极限变形--- λlim
弹簧刚度：k
F1
1
F2
2
F2 F1
缺点： 用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工
精度、热处理）要求较严，制造困难。
注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。
失稳
加装导向杆 加装导向套
2. 压缩弹簧的特性曲线
F
特性曲线-- 载荷—变形曲线
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1
F2Flim
自用盘编号JJ321002
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=（0.2~0.5）F2
M M
φ
M M
扭转弹簧的载荷
设计要点：
1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙， 以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。
2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的 最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反 向（抵消），从而提高承载能力。
3）心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减 小而抱轴。
D1 F
F
h t =2.75
h
h t =0.5
t D
h t =1.5
自用盘编号JJ321002
簧片变平点
O
1
2
3
4 y /t
碟形弹簧组合形式 对合式组合弹簧---- 变形量增加，承载力不变。
由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。
摩擦消耗的能量-----阴影面积 ↑ → 吸振能力↑
H0=nδ+(n1+1)d
Hs Hs
对于两端并紧磨平结构
H0=nδ+(n1-0.5)d 弹簧的并紧高度： Hs =
(n1+1)d (n1-0.5)d
F2
δ
α
D2
< 5.3 两端固定的弹簧 高径比：b= H0 / D2 < 3.7 一端固定，另一端铰支的弹簧 当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。 措施：内部加装导向杆、或外部加导向套。