弹簧设计参考

弹簧参考资料

12-1 概述

弹簧是常用的弹性零件，它在受载后产生较大的弹性变形，吸收并储存能量。

弹簧有以下的主要功能：

(1)减振和缓冲。如缓冲器，车辆的缓冲弹簧等。

(2)控制运动。如制动器、离合器以及燃机气门控制弹簧。

(3)储存或释放能量。如钟表发条，定位控制机构中的弹簧。

(4)测量力和力矩。用于测力器、弹簧秤等。

按弹簧的受力性质不同，弹簧主要分为：

拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹

簧。

按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等

此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等

12-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计

、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线

1、弹簧的结构

(1) 压缩弹簧(图12－1)

A、YI 型：两端面圈并紧磨平

B、YⅢ型：两端面圈并紧不磨平。磨平部分不少于圆周长的3/4 ，端头厚度一般不少于d/8

(a)Y Ⅰ型(b)Y Ⅱ型

图12-1 压缩弹簧

（2）拉伸弹簧（图12－2）A、LI 型：半圆形钩

B、LⅡ型：圆环钩

C、LⅦ型：可调式挂钩，用于受力较大时

图12-2 拉伸弹簧

2、主要几何尺寸

弹簧丝直径d、外径D、径、中径、节距p、螺旋升角、自由高度（压缩弹簧）或长度（拉伸弹簧），如图12-3 。此外还有有限圈数n，总圈数，几何尺寸计算公式见表12-1 。

表 12-1 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式

(a)

图 12-3 圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数

(b )

名称与代号压缩螺旋弹簧

弹簧指数C：弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即：C=D2/ d。

弹簧丝直径d 相同时，C 值小则弹簧中径D2也小，其刚度较大。反之则刚度较小。通常C值在4～16 围，可按表12-2 选取。

表12-2 圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C

3、特性曲线

弹簧所受载荷

与其变形之间

的关系曲线称

为弹簧的特性

曲线。

(1) 压缩弹簧其特性曲线如图12-4 所示。

图中H0 为弹簧未受载时的自由高度。F min为最小工作载荷，它是使弹簧处于安装

位置的初始载荷。在 F min 的作用下，弹簧从自由高度 H 0被压缩到 H 1，相应的弹簧 压缩变形量为 λmin 。在弹簧的最大工作载荷 F max 作用下，弹簧的压缩变形量增 至 λ max 。图中 F lim 为弹簧的极限载荷，在其作用下，弹簧高度为 H lim ，变形量为

λlim ，弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外，图中的 h=λ max - λ min ，称为 弹簧的工作行程。

计算：

则弹簧丝的强度约束条件为：

（2） 拉伸弹簧 其特性曲线如图 12-5 所示。 按卷绕方法的不同， 拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。 无初应力的拉伸弹 簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。 有初应力的拉伸弹簧的特性曲线， 如 图 12-5c 所示。有一段假想的变形量 x ，相应的初拉力 F 0 ，为克服这段假想变形 量使弹簧开始变形所需的初拉力，当工作载荷大于 F 0 时，弹簧才开始伸长。 对于

一般拉、 压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为 F min ≥0.2 F lim

，对于有初拉力 的拉伸弹簧 F min >F 0；弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取 F max ≤0.8 F lim ， 因此，为保持弹性的线性特性，弹簧的工作变形量应取在 （0.2 ～0.8） λ lim 围。

、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析

1、强度约束条件

图 12-6 为承受轴向载荷的压缩弹簧，现分析其受力情况，拉伸弹簧的簧丝受力 情况完全相同。如图 12-6a ，在通过轴线的剖面上，弹簧丝的剖面为椭圆，但由 于螺旋升角一般很小，可近似地用圆形剖面代替。将作用于弹簧的轴向载荷 F 移至这个剖面，在此剖面上有转矩： T=FD 2/2 和剪切力 F 的联合作用。这二者在 弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力 τ 为：

式中： K 为曲度系数 （或称补偿系数 ） ，用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，其值可按下式 图 12-4 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲

线 的特性曲线

图 12-5 圆柱螺旋拉伸弹簧

式中：[ τ] 为许用剪切应力；

F max为弹簧的最大工作载荷。

图12-6 受轴向载荷的压缩弹簧

2、刚度约束条件圆柱螺旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得的，即：式中，G为材料的剪切弹性模量。由此可得刚度约束条件为

式中：k 为弹簧刚度，表示弹簧单位变形所需的力。

一般n 应圆整为0.5 的整数倍，且大于2。

3、稳定性约束条件当作用在压缩弹簧的载荷过大，高径比b=H0/ D2超出一定围时，弹簧会产生较大的侧向弯曲（图12-7）而失稳。

为保证弹簧的稳定性，一般规定，两端固定时取b<5.3 ；一端固定另一端自由时，取b<3.7；两端自由时，应取b<2.6 。如未能满足上述要求，则要按下式进行稳定性验算：

F max

式中：F C为临界载荷，C B 为不稳定系数，见图12-8 。

图12-7 压缩弹簧的失稳图12-8 不稳定系数C B

三、弹簧的材料与许用应力

常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。选择材料时，应根据弹簧的功用、载荷大小、载荷性质及循环特性、工作强度、周围介质以及重要程度来进行选择，几种弹簧材料的性能和许用应力值见表

12-3，弹簧钢丝的抗拉强度见表12-4 。

表12-4 弹簧钢丝的抗拉强度b(MPa)