機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第5版）課件：彈簧

彈簧第一節(jié)彈簧的功用與類型

機(jī)械中的多數(shù)零件是剛性零件，而彈簧是彈性零件。它能多次重復(fù)地隨外載荷的大小作相應(yīng)的彈性變形，卸載后又能立即恢復(fù)變形。通過變形把機(jī)械功或動能轉(zhuǎn)換成變形能，亦可將變形能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功或動能。一.彈簧的功用1.測量力的大小

利用彈簧受力后變形量的大小來測量重量，如彈簧秤。2.控制運動如內(nèi)燃機(jī)閥門控制彈簧。閥門控制彈簧1—凸輪2—控制彈簧3—閥座4—氣閥推桿3.緩沖和吸振4.儲能和釋能

鐘表發(fā)條（彈簧）汽車減振彈簧二.彈簧的類型1.按受載性質(zhì)分1）拉伸彈簧2）壓縮彈簧3）扭轉(zhuǎn)彈簧4）彎曲彈簧

板彈簧彎曲彈簧圓柱螺旋拉伸彈簧圓柱螺旋壓縮彈簧圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧2.按彈簧的形狀分1）螺旋彈簧圓柱形圓錐形2)環(huán)形彈簧（等剛度）（變剛度）

由帶有內(nèi)、外錐形的鋼制圓環(huán)交錯重疊組成的壓縮彈簧，具有很大的緩沖和吸振能力，是一種強(qiáng)力彈簧，常用于重型車輛、火炮和飛機(jī)起落架的重型緩沖裝置中。

環(huán)形彈簧3）碟形彈簧

由薄鋼板沖壓而成的截錐形彈簧，呈無底盤狀。使用時將多個碟形彈簧組合，裝在導(dǎo)桿或套筒中，只能承受軸向壓縮載荷。剛性大，吸振能力強(qiáng)。

常用在空間尺寸小，外載荷又很大的緩沖、減振裝置中。4）盤簧

亦稱平面渦卷彈簧，由鋼帶盤繞而成，為阿基米德蝸線形結(jié)構(gòu)。圈數(shù)多，變形角大，儲能量大。常用作儀器、儀表的儲能裝置。平面渦卷彈簧碟形彈簧5）板簧

由若干長度不等的條狀鋼板疊合并用簧夾夾緊而成。工作時受彎曲作用，吸振能力強(qiáng)。主要用于車輛及重型鍛壓設(shè)備的減振裝置。此外還有；

橡膠彈簧—廣泛用于儀器的坐墊，發(fā)動機(jī)的支承及機(jī)器的減振器等。

空氣彈簧—利用儲存在密閉容器中的壓縮空氣實現(xiàn)彈簧作用。廣泛用于車輛的懸掛裝置，及航空、船舶、建筑和冶金等部門。第二節(jié)彈簧的制造、材料與許用應(yīng)力一.彈簧的制造１.卷制（代號：Y—冷卷壓簧，L—冷卷拉簧）大量生產(chǎn)時，在萬能自動卷簧機(jī)上卷制，單件或小批量生產(chǎn)時可用車床卷制或用手動卷繞機(jī)手工卷制。１）冷卷（代號：Y—冷卷壓簧，L—冷卷拉簧）簧絲直徑d<8~10mm時，簧絲熱處理后在常溫下直接卷制。２）熱卷（代號：RY—熱卷壓簧，RL—熱卷拉簧）

簧絲直徑d>8~10mm時或d<8~10mm，但螺旋彈簧的直徑較小時，在800~10000C下卷制。2.端部加工

重要的壓縮彈簧要求其兩端承壓面與軸線垂直，兩端面應(yīng)在專用磨床上磨平。拉簧和扭簧在端部制有掛鉤和工作臂。3.熱處理

對于冷卷彈簧一般進(jìn)行低溫回火，以消除卷制時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。對于熱卷彈簧需進(jìn)行淬火和中溫回火處理。4.工藝實驗

在對螺旋彈簧施加2~3次工作極限載荷后，檢查熱處理和制造精度是否符合要求。5.強(qiáng)化處理及表面處理

強(qiáng)壓處理—在超過工作極限載荷下，持續(xù)強(qiáng)壓6~8小時。噴丸處理—用鋼丸或鐵丸以一定速度沖擊彈簧。

目的是使簧絲表層產(chǎn)生塑性變形，和有益的殘余應(yīng)力，提高彈簧的承載能力。表面處理—對重要的彈簧進(jìn)行表面鍍鋅，普通彈簧涂油漆。

二.彈簧的材料和許用應(yīng)力1.對材料的性能要求

彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和熱處理性能。以滿足成受變載荷及沖擊載荷的要求。2.常用材料1）碳素彈簧鋼（65、70、85鋼等）

價格低，熱處理后具有較高的強(qiáng)度，適宜的韌性和塑性。但彈性極限低，重復(fù)變形后會失去彈性，工作溫度不宜高于1200C。當(dāng)d>12mm時不宜淬透。常用于制造一般用途的小尺寸的彈簧。2）合金彈簧鋼

錳鋼（65Mn、硅錳彈簧鋼（62是Si2MnA）、(鉻釩鋼50CrVA)等。用于制造承受較大變載荷或沖擊載荷的彈簧。3）不銹鋼和銅合金

用于制造在潮濕或腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧。機(jī)械性能差，不易熱處理，在一般機(jī)械中很少使用。3.許用應(yīng)力彈簧材料的許用應(yīng)力取決于材料的種類和彈簧類別。彈簧按載荷性質(zhì)分為三類；I類—受變載荷循環(huán)次數(shù)N>106或重要的彈簧；II類—受變載荷循環(huán)次數(shù)N=103~105或承受沖擊載荷的彈簧；

III類—受變載荷循環(huán)次數(shù)N<103以下或基本為靜載荷的彈簧。

如：內(nèi)燃機(jī)的閥門彈簧。如：調(diào)速器彈簧或車輛彈簧。如：安全閥、摩擦離合器中的彈簧。碳素彈簧鋼的等級：B級—用于低應(yīng)力彈簧；C級—用于中應(yīng)力彈簧；D級—用于高應(yīng)力彈簧。常用彈簧材料的力學(xué)性能見P244~P245表14-2和14-3。第三節(jié)圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：1.確定幾何參數(shù)；2.強(qiáng)度計算；3.剛度計算；4.穩(wěn)定性計算。一.圓柱螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)1.壓縮彈簧死圈（支承圈）

只起支承作用，不參與變形的并緊端圈。通常為0.75~1.25圈。支承圈的形式

a)兩個端圈與鄰圈并緊且磨平（YI、RYI型）

b)兩端圈制成扁狀并緊不磨平或磨平（RYII型、熱卷）c)兩端圈并緊不磨平（YII型）d)兩端圈并緊（YIII型）

對于重要的彈簧兩端圈應(yīng)并緊并磨平，以保證兩支承面與彈簧的軸線垂直。使彈簧受壓時不致產(chǎn)生歪斜。圓柱螺旋壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu)a)YⅠ、RYⅠ型b)RYⅡ型c)YⅡ型d)YⅢ型2.拉伸彈簧

a、b兩種類型在過渡處有較大彎曲應(yīng)力，故只適用于中小載荷和不重要的場合。當(dāng)載荷較大時，宜采用c、d型。圓柱螺旋拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)a)半圓鉤環(huán)（LⅠ、RLⅠ型）b)圓鉤環(huán)（LⅡ、RLⅡ型）c)可調(diào)式拉簧（LVⅡ型）d)可轉(zhuǎn)鉤環(huán)（LVⅢ型）二.圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)1.彈簧絲直徑dd由強(qiáng)度計算確定，并取標(biāo)準(zhǔn)值。3.彈簧指數(shù)C（旋繞比）2.彈簧直徑中徑D2=Cd外徑D=D2+d內(nèi)徑D1=D2-dC=D2/d

C是彈簧的重要參數(shù)，一般4≤C≤16，常用C=5~8,設(shè)計時由表14-5根據(jù)彈簧絲直徑確定。圓柱螺旋彈簧的基本幾何參數(shù)a)壓縮彈簧b)拉伸彈簧4.節(jié)距p壓簧：p=(0.28~0.5)D2拉簧：p=d5.螺旋升角α一般取α=50~906.軸向間隙δ壓簧：δ=p-d，最小間隙δ1≥0.1d拉簧：δ=0圓柱螺旋彈簧的基本幾何參數(shù)a)壓縮彈簧b)拉伸彈簧7.有效圈數(shù)nn由剛度計算確定，n≥2。8.總?cè)?shù)n1冷卷壓簧：熱卷壓簧：拉簧：n1=n

括號中數(shù)值為支承圈數(shù)（死圈），其位于彈簧兩端，不參與變形。有磨平、不磨平兩種結(jié)構(gòu)，重要彈簧應(yīng)磨平。磨平長度不小于3/4圈，磨平簧絲末端厚度近于d/4。圓柱螺旋彈簧的基本幾何參數(shù)a)壓縮彈簧b)拉伸彈簧10.彈簧自由高度H0兩端并緊、磨平的壓簧：兩端并緊、不磨平的壓簧：拉簧：H0=nd+鉤環(huán)軸向長度11.高徑比b9.彈簧絲展開長度L壓簧：拉簧：L≈πD2n+鉤環(huán)展開長度。

圓柱螺旋彈簧的基本幾何參數(shù)a)壓縮彈簧b)拉伸彈簧三.圓柱螺旋彈簧的特性1.彈簧指數(shù)（14-1）

C是反映彈簧特性的重要參數(shù)。C值越大，彈簧越軟，剛性小，容易變形和繞制；反之，彈簧越硬，剛性大，不易變形和繞制。2.彈簧特性曲線

彈簧特性曲線—表明彈簧受載與變形之間關(guān)系的曲線。1)等節(jié)距圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線為一直線。

H0—彈簧未受載荷時的自由高度。H1—彈簧受初始載荷F1作用壓縮后的高度。(壓縮量λ1)H2—彈簧受最大工作載荷F2作用壓縮后的高度。（壓縮量λ2

）Hj—彈簧受極限載荷Fj作用壓縮后的高度。（壓縮量λj

）工作行程：h=λ2-λ1=H2-H1圓柱螺旋壓縮彈簧的特性線a)載荷與變形關(guān)系b)特性曲線2.圓柱螺旋拉伸彈簧的特性曲線1）無初拉應(yīng)力的特性曲線

如圖b),與壓縮彈簧的特性線相同2）有初拉應(yīng)力的特性曲線

如圖c),該種彈簧卷制后各圈相互并緊，在自由狀態(tài)下即受初拉力F0

。

受載時需先克服假想變形量X，彈簧才開始伸長。受載相同時，有初拉應(yīng)力的彈簧比無初拉應(yīng)力彈簧的實際伸長量小，可節(jié)省空間尺寸。圓柱螺旋拉伸彈簧的特性線a)載荷與變形關(guān)系b)無初拉應(yīng)力特性曲線c)有初應(yīng)力特性曲線各載荷值的確定：a.當(dāng)d<5mm時，

b.當(dāng)d>5mm時,最小工作載荷：.初拉力：F1≥0.2Fj有初拉應(yīng)力時應(yīng)使F1>F0。最大工作載荷：

F2≤0.8Fj

彈簧的工作變形量應(yīng)為（0.2~0.8）λj，以保持彈簧的線性特性。

在彈簧的工作圖上應(yīng)繪出彈簧的特性線，作為彈簧制造、檢驗和試驗的依據(jù)之一。四.圓柱螺旋彈簧的強(qiáng)度計算1.強(qiáng)度計算的目的確定簧絲直徑d2.受力分析

忽略螺旋升角α的影響，當(dāng)壓縮彈簧受軸向載荷F2時：作用在簧絲截面上的載荷有：剪力F2轉(zhuǎn)矩T=F2D2/2最大切應(yīng)力發(fā)生在彈簧絲截面的內(nèi)側(cè)，即圖中M點。彈簧絲截面a)彈簧絲截面受力分析b)彈簧絲截面應(yīng)力分布3.斷裂強(qiáng)度條件：（14-2）彈簧絲直徑計算公式：（14-3）［τ］—彈簧材料的許用切應(yīng)力，由表14-2及表14-3查取。K—彈簧的曲度系數(shù)，考慮彈簧的升角和曲率對彈簧絲中應(yīng)力的影響，由表14-6查取。五.圓柱螺旋彈簧的剛度計算1.剛度計算的目的確定彈簧的有效圈數(shù)n。2.有效圈數(shù)計算彈簧的軸向變形量：（14-4）有效圈數(shù)：（14-5）3.彈簧的剛度（14-6）普通螺旋彈簧的特性曲線為直線，故其剛度為常數(shù)。幾點注意事項：1.彈簧的有效圈數(shù)：n≥2，以保證彈簧具有穩(wěn)定的性能。2.對于拉伸彈簧當(dāng)n>20時，應(yīng)將n圓整成整圈數(shù)；當(dāng)n<20時，可圓整成1/2圈數(shù)，3.對于壓縮彈簧n的尾數(shù)宜取1/4、1/2或整圈數(shù)。4.對于有初拉力的拉伸彈簧

應(yīng)用公式（14-4）、（14-5）和