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1、机械设计基础机械设计基础第第18章章 弹簧弹簧弹簧：是一般种弹性元件弹簧：是一般种弹性元件,具有多次重复地随外载荷具有多次重复地随外载荷的大小而作相应的弹性变的大小而作相应的弹性变形形,卸载后又能马上复原卸载后又能马上复原原状的特性。原状的特性。1.弹簧的功用弹簧的功用（1）存储能量）存储能量;（2）吸取振动）吸取振动;（3）机械零件位置及作）机械零件位置及作用力的限制用力的限制;（4）测力弹簧。）测力弹簧。18.1 弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型2.弹簧的类型弹簧的类型按受载分按受载分:拉伸弹簧拉伸弹簧压缩弹簧压缩弹簧扭转弹簧扭转弹簧弯曲弹簧弯曲弹簧按形态分按形态分:螺旋弹簧、板弹簧、碟形
2、弹簧、环形弹簧、盘簧、空气弹螺旋弹簧、板弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘簧、空气弹簧、橡胶弹簧等。簧、橡胶弹簧等。18.2 材料与制造材料与制造 弹簧的材料弹簧的材料（1）高疲惫强度）高疲惫强度；（；（2）高弹性极限；）高弹性极限；（3）高冲击韧性）高冲击韧性（防止突然断裂）（防止突然断裂）；（；（4）很好的热处理性能。）很好的热处理性能。材料要求材料要求（一般认为受脉动载荷，即脉动应力）（一般认为受脉动载荷，即脉动应力）弹簧按载荷分为三类：弹簧按载荷分为三类：II类弹簧：受变载荷作用次数在类弹簧：受变载荷作用次数在103 105，或受冲击，或受冲击 载荷的弹载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。簧
3、，或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧：受变载荷作用次数在类弹簧：受变载荷作用次数在106，或很重要的弹簧。，或很重要的弹簧。选用材料的留意点：选用材料的留意点：（1）运用条件（载荷大小、方向、循环特性、温度、工）运用条件（载荷大小、方向、循环特性、温度、工作介质等）；（作介质等）；（2）功用；（）功用；（3）重要程度。一般应优先）重要程度。一般应优先接受碳素碳簧钢丝。接受碳素碳簧钢丝。碳素弹簧钢碳素弹簧钢：含碳量在：含碳量在0.60.9%之间，如之间，如65、70、85合金弹簧钢合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。：硅锰钢、铬钒钢。有色金属合金有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。：硅青铜、锡青铜、铍
4、青铜。应用于受力较小又要求防腐蚀、防磁的场合。应用于受力较小又要求防腐蚀、防磁的场合。优点：简洁获得、价格便宜、热处理后具有较高的强度，优点：简洁获得、价格便宜、热处理后具有较高的强度，适宜的韧性和塑性。适宜的韧性和塑性。缺点缺点：当：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的弹簧。，不易淬透，故仅适用于小尺寸的弹簧。优点优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。常用材料及其运用性能（表常用材料及其运用性能（表18-1）制造过程：制造过程：表面要求：表面要求：弹簧的制造弹簧的制造强压处理：强压处理：d8mm 热卷制：加热热卷制：加
5、热卷制卷制淬火淬火回火回火 d8mm 冷卷制：卷制冷卷制：卷制低温回火低温回火光滑、无裂纹、无伤痕光滑、无裂纹、无伤痕 卷绕、端面加工（压簧）或拉钩制作（拉簧或扭簧）、卷绕、端面加工（压簧）或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。热处理和工艺性试验。将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持确定时间将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持确定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。时可抵消一部分工作应力。经强压处理可提高承载实力。经强压处理可提高承载实力。18.3 弹簧工作原理弹簧工作原理1
6、8.3.1 特性曲线特性曲线四种典型类型四种典型类型弹簧载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。弹簧载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。18.3.2 弹簧刚度弹簧刚度变刚度变刚度变刚度变刚度定刚度定刚度定刚度定刚度 受变载荷或冲击载荷时，最好将弹簧设计成变刚度，受变载荷或冲击载荷时，最好将弹簧设计成变刚度，随着载荷的增加弹簧刚度将越来越大。随着载荷的增加弹簧刚度将越来越大。18.3.3 等效弹簧等效弹簧 运用单个弹簧不能满足载荷、位移等要求时，可运用单个弹簧不能满足载荷、位移等要求时，可以接受组合弹簧（串联、并联）。以接受组合弹簧（串联、并联）。18.3.4 弹簧的变形能与阻尼弹簧
7、的变形能与阻尼无摩擦，能无摩擦，能量无损耗量无损耗有外部摩擦，有外部摩擦，消耗能量消耗能量如环形、蝶形、如环形、蝶形、板弹簧板弹簧有内部摩擦，有内部摩擦，消耗能量消耗能量如非金属材料如非金属材料制弹簧制弹簧如圆柱螺旋弹簧如圆柱螺旋弹簧阻尼系数阻尼系数18.4.1 强度计算强度计算簧丝受力分析簧丝受力分析切向力切向力法向力法向力扭扭 矩矩弯弯 矩矩弹簧指数（旋绕比）弹簧指数（旋绕比）其中其中D2为弹簧中径，为弹簧中径，d为簧丝直径为簧丝直径C大，弹簧刚度小，易发生抖动大，弹簧刚度小，易发生抖动C小，加工困难，簧丝内外侧应力悬殊，刚度大，材料利用率低小，加工困难，簧丝内外侧应力悬殊，刚度大，材料利
8、用率低18.4 圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧强度条件：强度条件：（1）d 应符合标准直径应符合标准直径（2）选定）选定d，查取，查取T，再，再 计算计算d，比较，差距大，比较，差距大，重新计算重新计算（3）C在计算前应事先假定，在计算前应事先假定，一般一般 C=5 8留意：留意：目的：确定弹簧直径目的：确定弹簧直径D2和弹簧丝直径和弹簧丝直径d18.4.2 刚度计算刚度计算ds弧段上两端截面的弧段上两端截面的相对转角为相对转角为d两端截面的轴向位移为两端截面的轴向位移为积分后得积分后得变换上式变换上式弹簧刚度为弹簧刚度为目的：确定弹簧的圈数目的：确定弹簧的圈数n18.4.3 压缩弹簧的稳定
9、性问题压缩弹簧的稳定性问题一般一般H0/D235时不会出现失稳现象时不会出现失稳现象取值与端部固取值与端部固定方式有关定方式有关均为回转端时均为回转端时2.6均为固定端时均为固定端时5.3一端固定，一端回转时一端固定，一端回转时3.7解决措施：解决措施：（1）加导向杆）加导向杆（2）加导向套）加导向套（3）端面加工与轴心线垂直）端面加工与轴心线垂直 （要求较高）（要求较高）18.4.4 压缩弹簧的结构尺寸压缩弹簧的结构尺寸压缩弹簧在自由状态下，各压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有确定间距圈之间留有确定间距。支承圈或死圈：两端有支承圈或死圈：两端有3/45/4圈并紧，以使弹簧站圈并紧，以使弹簧站
10、立平直，这部分不参与变形。立平直，这部分不参与变形。端部磨平端部磨平-重要弹簧重要弹簧端部不磨平端部不磨平-一般用途一般用途压缩弹簧的端部结构压缩弹簧的端部结构压缩弹簧自由长度压缩弹簧自由长度H0压缩弹簧的总圈数：压缩弹簧的总圈数：n1=n+(1.52.5)n为有效圈数为有效圈数为使工作平稳，为使工作平稳，n1的尾数取的尾数取1/2H0=n+(n1+1)dH0=n+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构对于两端并紧磨平结构两端并紧不磨平结构：两端并紧不磨平结构：拉伸弹簧的结构特点：拉伸弹簧的结构特点：a)各圈相互并紧各圈相互并紧=0；b)制作完成后具有初拉力；制作完成后具有初拉力；c)端部做有
11、拉钩，以便安端部做有拉钩，以便安装和加载。装和加载。拉钩形式：半圆钩环型、圆拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。钩环型、转钩、可调转钩。半圆钩环型、圆钩环型特半圆钩环型、圆钩环型特点：结构简洁、制造简洁、点：结构简洁、制造简洁、但弯曲应力大。应用于中但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。小载荷与不重要的场合。转钩、可调转钩特点：弯曲转钩、可调转钩特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。但成本较高。18.5 圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧18.6 扭转弹簧扭转弹簧 扭转弹簧簧丝中主要受弯矩扭转弹簧簧丝中主要受弯矩M作用，作用，强度计算以弯曲疲
12、惫强度为主。强度计算以弯曲疲惫强度为主。18.7 其他弹簧其他弹簧1.环形弹簧环形弹簧特点：缓冲性能好特点：缓冲性能好2.碟形弹簧碟形弹簧结构特点：结构特点：载荷、变形：载荷、变形：用钢板冲制而成，外形象碟子。用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合运用往往将多个组合运用轴向力沿周边匀整分布、轴向力沿周边匀整分布、h变小而产生轴向变形。变小而产生轴向变形。特性曲线：特性曲线：重要特性：重要特性：利用这一特性可在确定变形范围内保持载荷的恒定。例利用这一特性可在确定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受
13、温度变更的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不温度变更的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。受温度的影响。呈非线性，变形取决于比值呈非线性，变形取决于比值h/t变更。变更。当当 时，中间一段接近于水平。时，中间一段接近于水平。碟形弹簧组合形式：碟形弹簧组合形式：（1）对合式组合弹簧）对合式组合弹簧变形量增加，承载力不变。变形量增加，承载力不变。由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。卸载特性曲线不一样。阴影面积阴影面积 吸振实力吸振实力摩擦消耗的能量摩擦消耗的能量阴影面积代表损失的能量阴影面积代表损失的能量（3）复合
14、式弹簧）复合式弹簧（2）叠合式组合弹簧）叠合式组合弹簧摩擦阻尼大，特殊适摩擦阻尼大，特殊适用于缓冲和吸振用于缓冲和吸振在变形量不变时，在变形量不变时，承载力大大增加承载力大大增加。可同时增加变形量和承载实力可同时增加变形量和承载实力碟形组合弹簧优点：碟形组合弹簧优点：变形量小、承载实力大、在受载方向空间尺寸小。变形量小、承载实力大、在受载方向空间尺寸小。碟形组合弹簧用途：碟形组合弹簧用途：常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动限制机构中获得了广泛地应用。减压阀、密封圈、自动限制机构中获得了广泛地应用。碟形组合
15、弹簧缺点：碟形组合弹簧缺点：用作高精度限制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、用作高精度限制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造困难。热处理）要求较严，制造困难。3.异形弹簧异形弹簧如沙发弹簧（腰鼓形）如沙发弹簧（腰鼓形）沙发弹簧的特点：沙发弹簧的特点：沙发弹簧的优点：沙发弹簧的优点：（1）F小时变形小小时变形小（2）F大时变形也小大时变形也小（1）不管胖瘦轻重，坐时感觉相像；）不管胖瘦轻重，坐时感觉相像；（2）叠起后，最小高度小，即最大变形大；）叠起后，最小高度小，即最大变形大；（3）支承面大，比较稳定，不会出现凹凸不）支承面大，比较稳定，不会出现凹凸不平的状况。平的状况。