1、机械设计中 弹簧,各种弹簧的特点、应用 弹簧参数对弹簧性能的影响及其合理选择； 圆柱螺旋弹簧设计的基本理论、基本设计 方法和设计过程,按形状,按载荷,18-1 弹簧的类型和功用,1 控制机械的运动，例如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧；,2 吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减振弹簧 及各种缓冲器的弹簧等；板簧,二、弹簧的功用,3 存储和释放能量，复位，例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；,4 测量力的大小，例如弹簧秤和测力器中的弹簧等等。,18-2 弹簧的制造、材料和许用应力,一、弹簧制造,螺旋弹簧的制造工艺过程 绕制； 钩环制造； 端部的制作与精加工； 热处理； 工艺试验等，对于
2、重要的弹簧还要进行强压处理。 2 弹簧的绕制方法冷卷法：簧丝直径d8mm的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质 碳素弹簧钢丝，卷绕后一般不再进行淬火处理，只须低温 回火以消除卷绕时的内应力。,热卷法：簧丝直径较大（d8mm）的弹簧则用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。,二、弹簧材料,要求：较高的强度极限和屈服极限，较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。,1 碳素弹簧钢,c=0.60.9%， 65、70、85 强度高，性能好，适于做小弹簧，d12mm时不易淬透,2 合金弹簧钢,60Si2Mn、60Si2MnA：弹
3、性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧,4Cr13：耐腐蚀，耐高温，适于做大弹簧,1Cr18Ni9Ti：耐腐蚀，耐高温，适于做小弹簧,Co40CrNiTiMo：耐腐蚀，高强度，无磁，高弹性,不锈钢,表18-1,3 有色金属合金,Qsi-3、QSn4-3：耐腐蚀，防磁好 Qbe2：耐腐蚀，防磁，导电性及弹性好,三、弹簧的许用应力,表18-1、表18-2,1 确定弹簧许用应力时应考虑,材料、品种、材料质量、热处理方式、载荷性质、工作条件、重要程度、弹簧丝直径,2 按载荷性质分类,类受变载荷次数106次以上。内燃机气门弹簧、电磁制动器 类受变载荷次数103 105次以上。调速器、安全阀、一般车
4、辆 类受变载荷次数103以下。摩擦式安全离合器,一、 弹簧的主要尺寸,18-3 圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的应力与变形,弹簧丝直径d 弹簧圈外径D 弹簧圈内径D1 弹簧圈中径D2 节距t 螺旋升角：9 自由长度H0,二、弹簧的受力,忽略弹簧丝弯曲，T产生的应力：,受力：剪力F T=FD2/2 ,F产生的应力：,最大切应力：弹簧丝截面内侧,旋绕比(弹簧指数)C：衡量弹簧曲率的重要参数。,簧丝最大切应力：,三、弹簧的强度,K曲度系数 图18-6,钢丝直径,分析：,第二项反映了弹簧丝曲率对扭切应力影响。T，aa 与bb相对转动，abab, 内侧变形大，内侧扭切应力大于直杆，外侧扭切应力小于直杆C，内侧应
5、力 (2) 第一项反映了不均匀分布对内侧应力产生的影响。,四、弹簧的变形,F变形,取微段ds,T d，O O 轴向变形d：,轴向总变形,G弹簧材料的切变模量弹簧总长度：l=D2n,P234,有效圈数,弹簧刚度k：使弹簧产生单位变形所需载荷,(1) C ，k (2) C 太小，卷绕困难，内侧应力大C 太大，弹簧易颤动C=416之间，常用C= 58 (3) k还与G、d、n有关,一、压缩弹簧结构尺寸和特性曲线,18-3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计,1 压缩弹簧结构尺寸计算,间距：自由状态时存在 支承圈(死圈)：弹簧两端各有3/4 5/4圈并 紧,磨平：长度3/4圈，厚度=d/4 不磨平：不多用,
6、总圈数n1(有支承圈)：n1=n+(1.5 2.5),节距t：t=d+,t,间距：,2：最大工作载荷F2时 的弹簧变形量,螺旋升角：,t=(0.3 0.5)D2, =5 9,弹簧丝材料的长度L：,自由高度H0：,两端并紧不磨平结构：H0=n +(n1+1)d 两端并紧磨平结构：H0=n +(n1-0.5)d,2 稳定性计算,为了便于制造和失稳，建议弹簧的长径比 b = H0/D2 取值为： 两端均为铰支端，b2.6； 两端均为固定端时，b5.3 ； 一端固定而另一端铰支时，b3.7,如果b大于上述数值时，则必须进行稳定性计算，并限制F 小于失稳时的临界载荷 Fcr。一般取 F = Fcr/(2
7、2.5)，,3 压缩弹簧特性曲线,载荷变形曲线,F1最小工作载荷，安装时必须施加， F1=(0.2 0.5)F2 F2最大工作载荷， Flim极限载荷，达到s时的载荷 H1 、 H2 、 Hlim F1 、F2 、Flim作用时的弹簧高度 1 、 2 、 lim F1 、F2 、Flim时的弹簧变形,为避免并紧，规定20.8n,弹簧刚度：,弹簧特性曲线是检验和试验的依据。,卷制时有初拉力， =0 挂钩形式：,4 拉伸弹簧结构特点,半圆钩环形 圆钩环形,结构简单，制造方便，弯曲应力大，适于中小载荷和不重要场合,两端具有转钩环形：活动钩，弯曲应力较小 可调式拉伸弹簧： 改进挂钩形式：弯曲应力小,要
8、求：强度、刚度、稳定性,二、设计计算,设计计算,已知,设计内容,F2、2 工作条件 空间位置,已知,F2、2 工作条件 空间位置,材料、结构型式 d, D2(GB), n t,，H0，L,方法：试算法,18-5 其它弹簧简介,一、圆柱螺旋扭转弹簧,承受绕轴线力矩：用于压紧或储能，如门的复位,外加力矩M时，圆截面弹簧丝的最大弯曲应力与强度条件：,曲度系数, =1.25(表18-1),扭转变形：,rad,特点：精度高的，圈与圈之间有间隙，以防摩擦,特点：薄钢板冲制而成，外形象碟子，变刚度,二、蝶形弹簧,当h/t=1.5时，曲线的中间接近水平，提供了在一定变形范围内保持载荷恒定的方法。,使用：组合应用变形量增加，承载能力不变工作过程中弹簧片间有摩擦，故 加载与卸载曲线不重合,叠合式与复合式,叠合式：变形不变，承载能力,复合式：变形、承载能力,
