弹簧设计手册

I P —弹簧丝截面极惯性矩；
GI
—抗扭刚度
P
弹簧丝的长度: l D2n
n—弹簧的有效圈数
弹簧的轴向变形量：
IP
d 4
32
8FD23n 8FC 3n
Gd 4
Gd
（15-5）
2. 弹簧刚度k（弹簧常数） 弹簧刚度—使弹簧产生单位变形量的载荷。
F Gd 4 Gd
k 8D23n 8C3n 由上式可知：
大，内侧的扭切应力大于直杆的扭切应力 ，而外侧反之。
显然，旋绕比C越小， 弹簧丝内侧应力增加就越多。
式了（因18-不4）均中匀的分第布二对项内反侧映应
力产生的影响。
二. 弹簧的变形
1. 弹簧的轴向变形计算
在轴向载荷的作用下, 弹簧产生轴向变形量 。
在弹簧上截取微段弹丝ds， 当弹簧螺旋升角很小时，可认 为微段弹簧丝两截面半 径oc2 o、c1
圆柱形 （等刚度）
圆锥形 （变刚度）
2) 环形弹簧
由带有内、外锥形的钢制圆环交错重叠 组成的压缩弹簧，具有很大的缓冲和吸振能 力，是一种强力弹簧，常用于重型车辆、火 炮和飞机起落架的重型缓冲装置中。
3）碟形弹簧
由薄钢板冲压而成的截锥形弹簧， 呈无底盘状。使用时将多个碟形弹簧 组合，装在导杆或套筒中，只能承受 轴向压缩载荷。刚性大，吸振能力强。
此外还有； 橡胶弹簧—广泛用于仪器的坐垫，发动机的支承 及机器的减振器等。
空气弹簧—利用储存在密闭容器中的压缩空气实 现弹簧作用。广泛用于车辆的悬挂装置，及航空、船 舶、建筑和冶金等部门。
§18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩压缩弹簧的外载均沿弹簧的轴线作用，
（18-6）
当其它条件相同时，旋绕比C越小，则弹簧的刚 度越大。
§18-3 弹簧的制造、材料与许用应力 一. 弹簧的制造
１.卷制（代号：Y—冷卷压簧，L—冷卷拉簧） 大量生产时，在万能自动卷簧机上卷制，单件或小批量 生产时可用车床卷制或用手动卷绕机手工卷制。
１）冷卷（代号：Y—冷卷压簧，L—冷卷拉簧） 簧丝直径 d < 10 mm时常用冷卷法，一般用冷拉的碳素 弹簧钢丝在常温下直接卷制。
若剪力引起的切应力为均匀分布： 4F d 2
弹簧丝截面上的最大切应力 发生在内侧：
8FD2
d 3
4F
d 2
8FD2
d 3
(1
d) 2D2
令：
C D2 d
（18-1）
则：
8FC
d 2
(1
0.5) C
（18-2）
C—旋绕比（弹簧指数） 是衡量弹簧曲率的重要参数。
由较精确的分析，弹簧丝截面内侧的最大切应力 及强度条件为：
常用在空间尺寸小，外载荷又很大的缓冲、减振装置 中。
4）盘簧 亦称平面涡卷弹簧，由钢带盘绕而 成，为阿基米德蜗线形结构。圈数多， 变形角大，储能量大。
常用作仪器、仪表的储能装置。
5）板簧
由若干长度不等的条状钢板叠 合并用簧夹夹紧而成。工作时受弯 曲作用，吸振能力强。
主要用于车辆及重型锻压设备的减振装置。
目的是使簧丝表层产生塑性变形，和有益的残余应力，提 高弹簧的承载能力。
表面处理—对重要的弹簧进行表面镀锌，普通弹簧涂油漆。
二. 弹簧的材料
1. 对材料的性能要求
弹簧材料应具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、 塑性和热处理性能。以满足承受变载荷及冲击载荷的要求。
K
8FC
d 2
（18-3）
K—弹簧的曲度系数
K 4C 1 0.615 4C 4 C
（18-4）
K—弹簧的曲度系数，考 虑弹簧的升角和曲率对弹簧丝 中应力的影响, K值根据C值 由图18-6查取。
式（18-4）中第一项反映了弹簧丝曲率对扭切应力的
影响。如图18-5示，弹簧丝在扭矩T的作用下，截面 a a 与 b b 将相对转动一个小角度。由于内侧的纤维比外侧 的短（ ab ab ），则内侧单位长度的扭转变形较外侧
它们的应力和变形计算是相同的 。
以圆柱螺旋压缩弹簧为例：
一般弹簧的螺旋角很小（ 9o ），可将通过其轴 线的截面当作弹簧丝的法截面。
该截面上作用的载荷为：
剪力: F
扭矩: T FD2 2
如不考虑弹簧丝的弯曲，按直杆计算。
弹簧丝截面的扭切应力： T
WT
F D2 2
d 3
8FD2
d 3
16
4. 工艺实验 在对螺旋弹簧施加2~3次工作极限载荷后，检查热处 理和制造精度是否符合要求。
5. 强化处理及表面处理 强压处理—将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，持 续强压6~8小时后卸载，使簧丝表层产生与工作应力方向相 反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力，以提高弹簧 的承载能力。
喷丸处理（变载压簧）—用钢丸或铁丸以一定速度冲击弹簧。
２）热卷（代号：RY—热卷压簧， RL—热卷拉簧） 簧丝直径 d > 10 mm时或d < 10 mm，但螺旋弹簧的直 径较小时，在800 ~ 10000C下卷制。
2. 端部加工 重要的压缩弹簧要求其两端承压面与轴线垂直，两 端面应在专用磨床上磨平。
拉簧和扭簧在端部制有挂钩和工作臂。
3. 热处理 对于冷卷弹簧一般进行低温回火，以消除卷制时 产生的内应力。 对于热卷弹簧需进行淬火和中温回火处理。
2. 缓冲和吸振
3. 储能和释能
4. 测量力的大小 利用弹簧受力后变形量的大小来测量重量，如弹簧秤。
二. 弹簧的类型
1. 按受载性质分 1）拉伸弹簧
2）压缩弹簧
3）扭转弹簧 外形和拉压弹簧相似, 承 受绕弹簧轴线的外加力矩, 主 要用于压紧和储能。
4）弯曲弹簧
板簧
2. 按弹簧的形状分
1）螺旋弹簧
和微段弹簧丝的轴线 ds 在同一
平面内。
在扭矩T的作用下，微段
两端截面相对扭转了d 角，半
径 oc2也相对半径 oc1扭转了d
角。
点O 移到 O点 ，弹簧产生相应的轴向变形 d。
d
D2 2
d
D2 2
Tds GI P
8FD22ds
Gd 4
积分
i 0
d
8FD22
Gd 4
l 0
ds
G — 弹簧材料的切变模量；
第18章 弹 簧
§18-1 弹簧的功用和类型
机械中的多数零件是刚性零件，而弹簧是弹性零件。 它能多次重复地随外载荷的大小作相应的弹性变形，卸 载后又能立即恢复变形。通过变形把机械功或动能转换 成变形能，亦可将变形能转换成机械功或动能。
一. 弹簧的功用
1. 控制机构的运动或零件的位置
如内燃机阀门控制弹簧。