机械设计-弹簧
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800 –40~200 45~50HRC 好，易脱碳，用于
制造受重载的弹簧
合金弹 50CrVA 450 600 簧钢丝
有高的疲劳极限，
750
–40~210 45~50HRC
弹性、淬透性和回 火稳定性好，常用
于承受变载的弹簧
4Cr13 450 600
耐腐蚀，耐高温，
750 –40~300 48~5潘3存H云R教C授研制适用于做较大的
的弹簧。 有色金属合金： 硅青铜、锡青铜、铍青铜。
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）、功用及经济性等因素。一般 应优先采用碳素碳簧钢丝。
2. 弹簧的许用应力
弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、 弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等
弹簧按载荷分为三类：
拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。
二、弹簧的制造
制造过程： 卷绕、端面加工 (压簧)或拉钩制作（拉簧 或扭簧）、热处理和工艺性试验。
潘存云教授研制
冷卷：d<10 mm ? 低温回火，消除应力
热卷：d≥ 10 mm ，卷制温度： 800~1000℃
? 淬火、回火
▲ 对于重要压缩弹簧，为了保证承载面与轴线垂直，
功用：
1. 控制机构运动或零件的位置 ; 如凸轮机构、离合器、阀门等；
2. 缓冲吸振 ; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；
3. 存储能量 ; 如钟表仪器中的弹簧；
4. 测量力的大小 ；如弹簧秤中的弹簧
5. 改变系统的自振频率。 圆柱形
分类
螺旋 弹簧
按形状分 按受载分
截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧
H0
螺旋升角：
α=tan -1
t πD2
通常 t≈(0.3~0.5)D2 , α=5?~9?
弹簧丝的展开长度 :
L=πcoDs2
n1 α
自由高度 :
两端并紧不磨平结构：
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。 磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4
端部磨平 ——重要弹簧
d/4
端部不磨平 —— 一般用途
压缩弹簧的总圈数：
δ
潘存云教授研制
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
III 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250
§16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算
一、几何尺寸计算
节距：t = d +δ 间距:
δ≥
λmax
0.8n
t
λmax ——最大变形量。 F2为最大载荷
塑性和良好的热处理性能。 材料： 优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。
碳素弹簧钢： 含碳量在0.6 % ~0.9% 之间，如 65、70、85 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
I类弹簧： 受变载荷作用次数 >106，或很重要的弹簧。
II 类弹簧：受变载荷作用次数在 103 ~ 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。
III 类弹簧：受变载荷作用次数在 <103 ，或受静载荷 的弹簧。
表16-1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力
材料
许用切应力 / MPa
名称
牌号
弹簧
青铜丝 QSi3-1 270 360 QSn4-3 270 360
450 –40~120 90~100HBS 耐腐蚀，防磁好 450
表16-2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限
组别
0.2 0.3 0.5 0.8
钢丝直径 d/ mm
1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0
不磨平
2. 拉伸弹簧
（1）各圈相互并紧 δ=0；
（2）制作完成后具有初拉力；
（3）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、 转钩、可调转钩。
改进后的结构
潘存云教授研制
潘存云教授研制
潘存云教授研制
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。
第16章 弹 簧
§16-1 弹簧概述 §16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、
材料及许用应力 §16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 §16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 §16-5 其它弹簧简介
§16-1 弹簧的功用和类型
工作特点： 弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，
在机械设备中被广泛用作弹性元件。
I
2700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800ห้องสมุดไป่ตู้1700 1650 1600 1500 1500 1450 —
II 、II a 2250 2250 2200 2150 2050 1950 潘18存5云0教授18研0制0 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 1250
端部应磨平
▲ 拉伸弹簧，为了便于联接与加载，两端制有拉构，
经强压处理可提高承载能力
强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限， 并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应
力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。
工艺试验包括：耐冲击、疲劳等试验
三、弹簧的材料及许用应力 1. 弹簧的材料 要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、
Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧 Ⅲ类弹簧
[τ I]
[τ II ]
[τIII ]
推荐使用 温度/℃
推荐硬度 范围
特性及用途
碳素弹簧
强度高，性能好，
钢丝Ⅰ, 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ
但尺寸大了不易淬 透，只适用于小弹 簧
60Si1Mn 480 640
弹性和回火稳定性
分类
按形状分 螺旋弹簧 环形弹簧 按受载分 碟形弹簧 平面涡圈弹簧 仪表中储能用 板弹簧
圆柱形 截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧
本章内容
潘存云教授研制
潘存云教授研制
§16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力
一、圆柱螺旋弹簧的结构形式
1. 圆柱螺旋压缩弹簧
变形用
压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距 δ 。
制造受重载的弹簧
合金弹 50CrVA 450 600 簧钢丝
有高的疲劳极限，
750
–40~210 45~50HRC
弹性、淬透性和回 火稳定性好，常用
于承受变载的弹簧
4Cr13 450 600
耐腐蚀，耐高温，
750 –40~300 48~5潘3存H云R教C授研制适用于做较大的
的弹簧。 有色金属合金： 硅青铜、锡青铜、铍青铜。
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）、功用及经济性等因素。一般 应优先采用碳素碳簧钢丝。
2. 弹簧的许用应力
弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、 弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等
弹簧按载荷分为三类：
拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。
二、弹簧的制造
制造过程： 卷绕、端面加工 (压簧)或拉钩制作（拉簧 或扭簧）、热处理和工艺性试验。
潘存云教授研制
冷卷：d<10 mm ? 低温回火，消除应力
热卷：d≥ 10 mm ，卷制温度： 800~1000℃
? 淬火、回火
▲ 对于重要压缩弹簧，为了保证承载面与轴线垂直，
功用：
1. 控制机构运动或零件的位置 ; 如凸轮机构、离合器、阀门等；
2. 缓冲吸振 ; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；
3. 存储能量 ; 如钟表仪器中的弹簧；
4. 测量力的大小 ；如弹簧秤中的弹簧
5. 改变系统的自振频率。 圆柱形
分类
螺旋 弹簧
按形状分 按受载分
截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧
H0
螺旋升角：
α=tan -1
t πD2
通常 t≈(0.3~0.5)D2 , α=5?~9?
弹簧丝的展开长度 :
L=πcoDs2
n1 α
自由高度 :
两端并紧不磨平结构：
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。 磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4
端部磨平 ——重要弹簧
d/4
端部不磨平 —— 一般用途
压缩弹簧的总圈数：
δ
潘存云教授研制
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
III 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250
§16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算
一、几何尺寸计算
节距：t = d +δ 间距:
δ≥
λmax
0.8n
t
λmax ——最大变形量。 F2为最大载荷
塑性和良好的热处理性能。 材料： 优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。
碳素弹簧钢： 含碳量在0.6 % ~0.9% 之间，如 65、70、85 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
I类弹簧： 受变载荷作用次数 >106，或很重要的弹簧。
II 类弹簧：受变载荷作用次数在 103 ~ 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。
III 类弹簧：受变载荷作用次数在 <103 ，或受静载荷 的弹簧。
表16-1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力
材料
许用切应力 / MPa
名称
牌号
弹簧
青铜丝 QSi3-1 270 360 QSn4-3 270 360
450 –40~120 90~100HBS 耐腐蚀，防磁好 450
表16-2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限
组别
0.2 0.3 0.5 0.8
钢丝直径 d/ mm
1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0
不磨平
2. 拉伸弹簧
（1）各圈相互并紧 δ=0；
（2）制作完成后具有初拉力；
（3）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、 转钩、可调转钩。
改进后的结构
潘存云教授研制
潘存云教授研制
潘存云教授研制
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。
第16章 弹 簧
§16-1 弹簧概述 §16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、
材料及许用应力 §16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 §16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 §16-5 其它弹簧简介
§16-1 弹簧的功用和类型
工作特点： 弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，
在机械设备中被广泛用作弹性元件。
I
2700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800ห้องสมุดไป่ตู้1700 1650 1600 1500 1500 1450 —
II 、II a 2250 2250 2200 2150 2050 1950 潘18存5云0教授18研0制0 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 1250
端部应磨平
▲ 拉伸弹簧，为了便于联接与加载，两端制有拉构，
经强压处理可提高承载能力
强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限， 并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应
力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。
工艺试验包括：耐冲击、疲劳等试验
三、弹簧的材料及许用应力 1. 弹簧的材料 要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、
Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧 Ⅲ类弹簧
[τ I]
[τ II ]
[τIII ]
推荐使用 温度/℃
推荐硬度 范围
特性及用途
碳素弹簧
强度高，性能好，
钢丝Ⅰ, 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ
但尺寸大了不易淬 透，只适用于小弹 簧
60Si1Mn 480 640
弹性和回火稳定性
分类
按形状分 螺旋弹簧 环形弹簧 按受载分 碟形弹簧 平面涡圈弹簧 仪表中储能用 板弹簧
圆柱形 截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧
本章内容
潘存云教授研制
潘存云教授研制
§16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力
一、圆柱螺旋弹簧的结构形式
1. 圆柱螺旋压缩弹簧
变形用
压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距 δ 。