弹簧设计规范全

弹簧设计规范

一、弹簧的功能

弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有：

⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。

⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。

⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。

⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。

二、弹簧的类型、特点和应用

弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表1。

表1 弹簧的基本类型、特点和作用

名称弹簧简图特点及应用名称弹簧简图特点及应用

圆柱形螺旋弹

簧图(a)承受拉力，图(b)

承受压力，结构简单，

制造方便，应用最为广

泛

碟形

弹簧

承受压力，缓冲及减振能

力强，常用于重型机械的

缓冲和减振装置。

圆柱形螺旋扭转弹簧承受转矩，主要用于各

种装置中的压紧和蓄

能

环形

弹簧

承受压力，是目前最强的

压缩、缓冲弹簧，常用于

重型设备，如机车车辆、

锻压设备和机械中的缓

冲装置。

圆锥形螺旋弹

簧承受压力，结构紧凑，

稳定性好，防振能力较

强，多用于承受大载荷

和减振的场合

盘簧

承受转矩，能储存较大的

能量，常用作仪器、钟表

中的弹簧。

板弹簧承受弯曲，变形大，吸振能力强，主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。

法。

三、弹簧使用的材料及其用途

弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。

弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn, 50CrMn, 30W4Cr2V等。

a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。

b、大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度～850度左右之油或水中，再施以400度～500度的温度回火。

c、小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，卷成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。

d、琴钢丝是属高炭钢材（～%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。

e、不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。

f、油回火线含碳量～%应含锰，～%常用于螺圈弹簧。

g、板弹簧常用～%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。

弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。

周围介质，工作时间等）、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。如碳素弹簧钢的价格低，强度高，性能好，广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧；合金钢的强度高，弹性好，耐温高，适用于尺寸较大及承受冲击载荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧；铜合金的耐腐和抗磁性好，但强度低，适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。表3为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。

非金属弹簧的材料主要是橡胶，另外还有塑料、软木和空气等。

弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸，弹簧的工作条件和重要程度有关，弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类（见表2）；循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为Ⅰ类；循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为Ⅱ类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为Ⅲ类。

碳素弹簧钢的强度高、性能好，供应充足，应用广泛，适于制造弹簧丝直径d≤13mm的弹簧。按照用途分为三级：B级（d＝-10mm）用于低应力弹簧；C级d＝-10mm用于中等应用弹簧；D级（d＝-6.0mm）用于高应力弹簧。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限σb见表3。

四、弹簧设计资料

记号名称单位记号名称单位记号名称单位

d 材料直径mm k 弹簧定数kgf/mm a1 腕长(作动点) mm

D 弹簧平均径mm τ应力修正kgf/mm a2 腕长(固定点) mm

Na 有效圈数δ变量mm E 弹性系数kgf/mm L 自由长mm Pi 初张力kgf SUS 19,000 kgf/mm M 密着长mm K 应力修正系数- SWP 21,000 kgf/mm G 横弹性系数kgf/mm2 e 弹簧指数 D/d - kTd 弹簧定数kgfmm/deg

SUS 7000 kgf/mm2 L 0 自由长mm σ弯曲应力kgf/mm SWPA、B 8000 kgf/mm2 a 自由角°P点作动点-

SUWC φd 使用的角(变量) °P0点固定点-

P 弹簧荷重kgf R 荷重作用半径mm kb 弯曲修正系数-

压缩弹簧(无研磨) 压缩弹簧(研磨)

弹簧定数：K=（G×d4）/（8×D3×Na）

弯曲应力：τ=（8×D×P）/（πd3）×K

K=（4C-1）/（4C-4）+C

荷重：P=K×δ

（安全确认）

安全角（间隔角）：14度以下

弹簧指数：4—13

扭转应力：容许限界以下

第1荷重（A）：以下

第2荷重（B）：以上

引张弹簧

荷重：P = kδ+ Pi

初张力：Pi =（πd4G）/（800D2）

弹簧定数：K=（Gd4）/（8D3Na）

弯曲应力：τ=（8DP）/（πd3）×k

自由长：L0= d(N+1)+(D-d)

（安全确认）

扭转应力：容许限界以下

弯曲应力：容许限界以下

初张力的减少：（最大引张时）