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1、新疆高校专用 作者：潘存云教授 第第16章章 弹弹 簧簧 16-1 弹簧概述弹簧概述 16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力材料及许用应力16-5 其它弹簧简介其它弹簧简介16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算新疆高校专用 作者：潘存云教授 工作特点：工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，在机械设备中被广泛用作弹性元件。在机械设备中被广泛用作弹性元件。功用：功用：1.限制机构运动或零件的位置限制机构运动或零件的位置;如凸轮
2、机构、离如凸轮机构、离合器、阀门等；合器、阀门等；16-1 弹簧的功用和类型弹簧的功用和类型 3.存储能量存储能量;如钟表仪器中的弹簧；4.测量力的大小测量力的大小；如弹簧秤中的弹簧螺旋螺旋弹簧弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形态分按形态分 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 5.变更系统的自振频率。变更系统的自振频率。分类分类2.缓冲吸振缓冲吸振;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；新疆高校专用 作者：潘存云教授 本章内容本章内容分类分类螺旋弹簧螺旋弹簧 圆柱形圆柱形 截锥形截锥形 按形态分按形态分 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
3、转弹簧扭转弹簧 环形弹簧环形弹簧 平面涡圈弹簧平面涡圈弹簧 仪表中储能用板弹簧板弹簧 碟形弹簧碟形弹簧 潘存云教授研制潘存云教授研制新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、材料及许用应力材料及许用应力一、圆柱螺旋弹簧的结构形式一、圆柱螺旋弹簧的结构形式压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有确定间距压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有确定间距 。支承圈或死圈支承圈或死圈-两端有两端有3/45/43/45/4圈并紧，以使弹簧站圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。立平直，这部分不参与变形。不磨平不磨平磨平磨平端部磨平端部磨
4、平-重要弹簧重要弹簧端部不磨平端部不磨平-一般用途一般用途磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4d/4压缩弹簧的总圈数：压缩弹簧的总圈数：n1=n+(1.52.5)为使工作平稳，为使工作平稳，n1的尾数取的尾数取1/21/2变形用n为有效圈数1 1、圆柱螺旋压缩弹簧、圆柱螺旋压缩弹簧 新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制2 2、拉伸弹簧拉伸弹簧a)a)各圈相互并紧各圈相互并紧=0=0；b)b)制作完成后具有初拉力；制作完成后具有初拉力；c)c)端部做有拉钩，以便安装和加载。端部做有拉钩，以便安装和加载。拉钩形式：拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、半圆钩
5、环型、圆钩环型、转钩、可调转钩。转钩、可调转钩。改进后的结构改进后的结构拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。特点：结构简洁、制造简洁、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制二、弹簧的制造二、弹簧的制造制造过程：制造过程：卷绕、端面加工卷绕、端面加工(压簧压簧)或拉钩制作（拉簧或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。或扭簧）、热处理和工艺性试验。冷卷：冷卷：d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。弹簧。优点：优点
6、：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。的弹簧。新疆高校专用 作者：潘存云教授 选用原则：选用原则：充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和四周介质的状况）、功用及经济性等因素。一般度和四周介质的状况）、功用及经济性等因素。一般应优先接受碳素碳簧钢丝。应优先接受碳素碳簧钢丝。2、弹簧的许用应力、弹簧的许用应力弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等弹簧按载荷分为三类：弹簧按载荷分为三类：I类弹簧：类弹簧：受变载荷作用次数受变载荷作用次数10
7、6，或很重要的弹簧。或很重要的弹簧。II类弹簧：类弹簧：受变载荷作用次数在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，或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧：类弹簧：受变载荷作用次数在受变载荷作用次数在103 ，或受静载荷或受静载荷 的弹簧。的弹簧。新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制表表161 螺旋弹簧的常用材料和许用应力螺旋弹簧的常用材料和许用应力材材 料料名名 称称牌号牌号65、70 0.3B 0.4B 0.5B 40120 碳素弹簧碳素弹簧钢丝钢丝,60Si1Mn 480 640 800 40200 4550HRC合金弹合金
8、弹簧钢丝簧钢丝类类弹簧弹簧I青铜丝青铜丝类类弹簧弹簧II类类弹簧弹簧III推荐使用推荐使用温度温度 推荐硬度推荐硬度范围范围 特性及用途特性及用途 强度高，性能好，强度高，性能好，但尺寸大了不易淬但尺寸大了不易淬透，只适用于小弹透，只适用于小弹簧。簧。50CrVA 450 600 750 40210 4550HRC 4Cr13 450 600 750 40300 4853HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 45040120 90100HBS弹性和回火稳定性弹性和回火稳定性好，易脱碳，用于好，易脱碳，用于制造受重载的弹簧。制造受重载的弹簧。有高的疲劳极限，
9、有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回弹性、淬透性和回火稳定性好，常用火稳定性好，常用于承受变载的弹簧于承受变载的弹簧耐腐蚀，耐高温，耐腐蚀，耐高温，适用于做较大的适用于做较大的弹簧弹簧耐腐蚀，防磁好耐腐蚀，防磁好许用切应力许用切应力/MPa新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制组组 别别III、IIaIII钢丝直径钢丝直径 d/mm0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.02700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800 1700 1650 1600 1500 150
10、0 1450 -2250 2250 2200 2150 2050 1950 1850 1800 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 12501750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250表表162 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制节距：节距：t=d+maxmax-最大变形量。最大变形量。F2为最大载荷通常通常 t(0.3t(0.30.5)0.5)D D2 2,=5=5 9
11、 9 间距间距:maxmax0.8n0.8n螺旋升角：螺旋升角：弹簧丝的绽开长度弹簧丝的绽开长度:D D2 2 n n1 1coscosL=L=t tD D2 2=arctg=arctg自由高度自由高度:H0=n+(n1+1)d两端并紧不磨平结构：两端并紧不磨平结构：HsHsD2H0=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并紧高度：并紧高度：Hs=(n1+1)d(n1-0.5)d16-3 拉伸拉伸(压缩压缩)弹簧的设计计算弹簧的设计计算 一、几何尺寸计算一、几何尺寸计算 maxmaxF2H0t t新疆高校专用 作者：潘存云教授 表表16-4 16-4 圆柱螺旋弹簧几何尺
12、寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名称及代号中径中径D D=Cd D D=Cd 取标准值取标准值 压缩弹簧厂细比压缩弹簧厂细比b b b=H0/D2 b在在15.3的范围选取的范围选取自由高度或长度自由高度或长度H H0 0有效圈数有效圈数n n备备 注注L Lh h为钩环展开长度为钩环展开长度两端并紧，磨平；两端并紧，磨平；H0pn+(1.52)d两端并紧，不磨平；两端并紧，不磨平；H0pn+(33.5)dGdGd8(F8(Fmaxmax-F-F0 0)n=-n=-max 单位：单位：mmmm内径内径D D1 1 D D1
13、 1=D-d=D-d 旋绕比旋绕比C C=D/d C C=D/d 外径外径D D2 2 D D2 2=D+d=D+d H0=nd+HhHn=H0+n Hn=H0+n n-工作变形量工作变形量 n2有预应力的拉伸弹簧有预应力的拉伸弹簧压缩弹簧或压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧无预应力的拉伸弹簧工作高度或长度工作高度或长度H H1 1 H H1 1.H H1 1GdGd8F8FmaxmaxC C3 3n=-n=-max 新疆高校专用 作者：潘存云教授 续表续表16-4 16-4 圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算圆柱螺旋弹簧几何尺寸计算 计算公式计算公式 压缩弹簧压缩弹簧 拉伸弹簧拉伸弹簧 参数名称及代号参数名
14、称及代号总圈数总圈数n n1 1节距节距 p p=(0.280.5)D p=d 轴向间距轴向间距 =p-d =p-d展开长度展开长度L L螺旋角螺旋角 质量质量ms备备 注注拉伸弹簧拉伸弹簧n n1 1尾数为尾数为1/41/4、1/21/2、3/43/4、整圈，推、整圈，推荐用荐用1/21/2圈圈L Lh h为钩环展开长度为钩环展开长度对压缩螺旋弹簧，推对压缩螺旋弹簧，推荐用荐用=5 9 为材料的密度，对各种为材料的密度，对各种钢，钢，=7700kg/m=7700kg/m3 3;对铍青铜，对铍青铜，=8100kg/m3 n n1 1=n=n冷卷：冷卷：n1=n+(22.5)YIIYII型热卷：
15、型热卷：n1=n+(1.52)DnDn1 1coscosL=-L=-=arctan(p/D)LDn+LLDn+Lh h dd2 24 4m ms s=-L=-L 单位：单位：mmmm新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制二、二、弹簧的特性曲线弹簧的特性曲线特性曲线特性曲线-载荷载荷变变形曲线形曲线压缩弹簧的压缩弹簧的特性曲线特性曲线F1 1、压缩弹簧的特性曲线、压缩弹簧的特性曲线F1F2Flim新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制arctgarctgk k最小工作载荷最小工作载荷:F Fminmin=（0.10.5）Fmax最大工作载荷最大工作载荷-F Fmaxmax在在F
16、Fmaxmax的作用下，的作用下，maxmax 弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧牢靠地稳定在安装位置上。极限载荷极限载荷-F FlimlimlimEmaxmaxminmin0 0压缩弹簧的压缩弹簧的特性曲线特性曲线F最小变形最小变形-minmin对应的变形对应的变形-maxmax极限变形极限变形-limlimF0FF0时弹时弹簧才起先变形。簧才起先变形。FminFminFmaxFmaxFlimFlim新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制D2/2A-ABBM=Tsin F故截面故截面B-B上的载荷可近似取为：上的载荷可近似取为：FFF”弹簧受轴向载荷弹簧受轴向载荷F时，
17、作用时，作用在轴向截面在轴向截面A-A上的力有：上的力有：扭矩：扭矩：T=FD2/2轴向力：轴向力：F 在法面在法面B-B上的力有：上的力有：横向力横向力:F”轴向力轴向力:F弯矩：弯矩：M=Tsin扭矩：扭矩：=5 9 sin 0,cos 1扭矩：扭矩：T=FD2/2FT d B-BAA=Fcos=FsinTT=Tcos横向力：横向力：F三、弹簧受载时的应力与变形三、弹簧受载时的应力与变形1、簧丝受力分析、簧丝受力分析TFT=Tcos 新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制FT截面受力：截面受力：剪切应力：剪切应力：T T 2、弹簧的应力、弹簧的应力扭切应力：扭切应力：D2/2弹弹簧
18、簧轴轴线线 d TF FD2/2弹弹簧簧轴轴线线 d F合成应力：合成应力：D2/2弹弹簧簧轴轴线线 d F F F F FT T新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制C-旋绕比，或弹簧指数。旋绕比，或弹簧指数。dF F F F dKKT T未考虑簧丝曲率的应力 由于由于0.5/C远小于远小于1，故由，故由F引起的剪切应力可忽视。引起的剪切应力可忽视。若考虑螺旋升角和簧丝曲率若考虑螺旋升角和簧丝曲率对应力集中的影响，实际应力对应力集中的影响，实际应力分布与理论分析有差别。分布与理论分析有差别。D(min)0.20.4 0.451 1.12.2 2.56 716 1842 C=D2/d
19、714 512 510 49 48 46表表16-6 常用旋绕比常用旋绕比C 实践证明：弹簧内侧实践证明：弹簧内侧m点最简点最简洁产生破坏。洁产生破坏。mm新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制1.61.51.41.31.21.11.0C=D2/2曲度系数曲度系数K3 4 5 6 7 82010121416918-弹簧的曲度系数弹簧的曲度系数 强度条件：强度条件：设计公式：设计公式：其值可干脆查表下表可得引入系数引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响，得：来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响，得：新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制3、弹簧的变形、弹簧的变形d在轴向
20、载荷的作用下，弹簧产生轴向变形，取微段分析D2/2微段轴向变形量微段轴向变形量d：C kC值过小值过小 制造困难，内侧应力制造困难，内侧应力；常用值：常用值：C=58 C值过大值过大 弹簧简洁抖动。弹簧简洁抖动。dD2Fn为有效圈数G-材料的切变模量：依据材料力学有关圆柱螺旋弹簧变形的计算公式dsOTTOF钢：钢：G=8104 Mpa,青铜：青铜：G=4104 Mpa 新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制弹簧的最大变形量：弹簧的最大变形量：1）对于压缩弹簧和无预应力拉伸弹簧：）对于压缩弹簧和无预应力拉伸弹簧：2）对于有预应力的拉伸弹簧：）对于有预应力的拉伸弹簧：拉伸弹簧的初拉力取决于
21、拉伸弹簧的初拉力取决于材料、簧丝直径、旋绕比和材料、簧丝直径、旋绕比和加工方法。可按右图选取。加工方法。可按右图选取。C=DC=D2 2/d/d 3 4 5 6 7 8 9 10 11 123 4 5 6 7 8 9 10 11 1222022020020018018016016014014012012010010080806060404020200 00初拉应力初拉应力 初拉力的计算：初拉力的计算：新疆高校专用 作者：潘存云教授 四、弹簧设计计算步骤四、弹簧设计计算步骤设计要求：设计要求：有足够的强度有足够的强度符合符合载荷载荷-变形变形曲线的要求曲线的要求（刚度要求）（刚度要求）不发生侧弯
22、不发生侧弯(失稳失稳)已知条件：已知条件：最大工作载荷最大工作载荷Fmax和相应的变形和相应的变形maxmax，其其 它要求（如工作温度、安装空间的限制等）它要求（如工作温度、安装空间的限制等）计算步骤：计算步骤：1)1)选择弹簧材料及结构形式；选择弹簧材料及结构形式；3)3)依据安装空间初设弹簧中径依据安装空间初设弹簧中径D D，由，由C C值估取弹簧丝值估取弹簧丝 直径直径d d，并查取弹簧丝的许用应力；，并查取弹簧丝的许用应力；4)4)试算簧丝直径：试算簧丝直径：2)选择旋绕比选择旋绕比C，通常可取，通常可取C 5 8，并算出补偿系，并算出补偿系 数数K值；值；新疆高校专用 作者：潘存云
23、教授 5)5)依据变形条件求出弹簧工作圈数：依据变形条件求出弹簧工作圈数：对于有预应力的拉伸弹簧：对于有预应力的拉伸弹簧：对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧：对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧：6)检查检查D2、D1、H0是否符合安装要求等是否符合安装要求等;7)7)验算：验算：强度验算强度验算 振动验算振动验算稳定性验算稳定性验算 强度校核：强度校核：循环次数循环次数 N103 疲劳强度和静应力强度校核疲劳强度和静应力强度校核;循环次数循环次数 N103 静强度校核静强度校核;新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制F FlimlimF FO2 21 1OtD2Fa)a)疲惫强度校核疲惫强
24、度校核 F F1 1-安装载荷；安装载荷；1 1预压变形量预压变形量；F F2 2最最大载荷；大载荷；2 2最大变形量最大变形量；强度条件：强度条件：F F1 1F F2 2minminmaxmax当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取：当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取：SF=1.31.7；当精确性低时，取：当精确性低时，取：SF=1.82.2。0的含义按下页表选取FF新疆高校专用 作者：潘存云教授 b)b)静强度校核静强度校核 强度条件：强度条件：变载荷作用次数变载荷作用次数N 104 105 106 107 0 0.45B 0.35B 0.33B 0.30B 表表16
25、-8 弹簧材料的脉动循环极限弹簧材料的脉动循环极限0 当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取：当弹簧的设计计算及材力学性能数据精确性高时，取：S SS S=1.3=1.31.71.7；当精确性低时，取：当精确性低时，取：S SS S=1.8=1.82.22.2。振动验算振动验算 对于承受变载荷的弹簧，当加载频率很高时，对于承受变载荷的弹簧，当加载频率很高时，简简洁引起弹簧的谐振而导致弹簧破坏。因此要进行振动洁引起弹簧的谐振而导致弹簧破坏。因此要进行振动验算，以保证工作频率远低于基本自振频率。验算，以保证工作频率远低于基本自振频率。新疆高校专用 作者：潘存云教授 圆柱螺旋弹簧的基本自振频
26、率为：圆柱螺旋弹簧的基本自振频率为：将将kF和和mS代入后，可得：代入后，可得：其中弹簧刚度：其中弹簧刚度：弹簧质量系数：弹簧质量系数：为避开弹簧发生严峻振动，要求：为避开弹簧发生严峻振动，要求：当不能满足以上要求时，应重新设计，增大当不能满足以上要求时，应重新设计，增大kF或减小或减小mS。新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制失稳失稳当当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。高径比：高径比：b=H0/D D2 2 5.3 两端固定的弹簧两端固定的弹簧 3.7 一端固定，一端自由转动一端固定，一端自由转动 FFmaxmax 其中：
27、其中：F Fc c -稳定时的临界载荷；稳定时的临界载荷；C Cu u不不稳定系数；稳定系数；Cu2 4 6 8 100.80.60.40.20b=H0/D2两端固定两端固定两端回转两端回转一端固定一端固定一端回转一端回转新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制加装导向杆加装导向杆加装导向套加装导向套失稳失稳留意：留意：导杆、导套与弹簧之导杆、导套与弹簧之间的间隙不能太大，间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。工作时需加润滑油。内部加装导向杆；内部加装导向杆；或外部加导向套。或外部加导向套。若若Fc FmaxFc 1018 1030 3050 5080 8012
28、0 120150间隙间隙C 0.6 1 2 3 4 5 6 7表表16-7 导杆、导套与弹簧间的直径间隙导杆、导套与弹簧间的直径间隙新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、圆柱螺旋扭转弹簧的结构一、圆柱螺旋扭转弹簧的结构结构结构:特点：外形和拉压弹簧相像，但承受力矩载荷。特点：外形和拉压弹簧相像，但承受力矩载荷。16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 扭转弹簧的轴向长度：扭转弹簧的轴向长度：H0=n(d+0)+2Hh n-有效圈数；有效圈数；0 0NINI型型NIVNIV型型NIIINIII型型NIINII型型H0TTHh0-轴向间
29、距，一般取轴向间距，一般取0=0.10.5 mm；d dd-簧丝直径簧丝直径;2Hh-挂钩长度挂钩长度;新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制二、扭转弹簧的特性曲线二、扭转弹簧的特性曲线TT 在材料的弹性极限内，扭转在材料的弹性极限内，扭转弹簧的载荷弹簧的载荷(扭矩扭矩)与变形与变形(转角转角)-特性曲线也是呈线性变更。特性曲线也是呈线性变更。TTlim、lim-极限工作扭转及极限转角极限工作扭转及极限转角;Tmax、max-最大工作扭转及转角最大工作扭转及转角;Tmin、min-最小工作扭转及转角最小工作扭转及转角;一般取：一般取：Tmin=(0.10.5)Tmax。应
30、用实例：应用实例：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保持电刷的接触压力等。中保持电刷的接触压力等。TT limT limT maxmaxT minmin新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制强度条件：强度条件：扭转变形：扭转变形：W-截面系数截面系数 1.25E-材料弹性模量，材料弹性模量，I-簧丝截面惯性矩，簧丝截面惯性矩，n-弹簧有效圈数，弹簧有效圈数，D2-弹簧中径弹簧中径。三、圆柱螺旋扭转弹簧的计算三、圆柱螺旋扭转弹簧的计算在扭矩在扭矩T作用下，簧丝随意截面作用下，簧丝随意截面B-B内的载荷为：内的载荷为：弯矩：弯矩：M=Tcos 因为因
31、为很小，则可认为扭簧只承受弯矩：很小，则可认为扭簧只承受弯矩：M T扭矩：扭矩：T=Tsin MMTTTBBMTD2刚度：刚度：新疆高校专用 作者：潘存云教授 1）对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙留有间隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。2）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一样。弹簧内侧的）扭转弹簧的旋向应与外加力矩一样。弹簧内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载实力。向（抵消），从而提高承载实力。3）心轴和弹簧内径之间必需留
32、有间隙。避开因）心轴和弹簧内径之间必需留有间隙。避开因D2减减小而抱轴。小而抱轴。设计要点：设计要点：已知条件：已知条件：最大工作载荷最大工作载荷Fmax和相应的变形和相应的变形maxmax，其其 它要求（如工作温度、安装空间的限制等）它要求（如工作温度、安装空间的限制等）设计确定：设计确定：弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧 的螺旋升角和长度等。的螺旋升角和长度等。四、圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤四、圆柱螺旋扭转弹簧的设计步骤新疆高校专用 作者：潘存云教授 计算步骤：计算步骤：1)1)选择弹簧材料及许用应力，以及扭簧的结构形式；选择弹簧材料及许用应力，以及
33、扭簧的结构形式；3)3)依据安装空间初设弹簧中径依据安装空间初设弹簧中径D D，由，由C C值估取弹簧丝值估取弹簧丝 直径直径d d，并查取弹簧丝的许用应力；，并查取弹簧丝的许用应力；4)4)试算簧丝直径试算簧丝直径d d：2)选择旋绕比选择旋绕比C，通常可取，通常可取C 5 8，并算出补偿系，并算出补偿系 数数K1值；值；检查尺寸是否合适。检查尺寸是否合适。5)5)依据变形条件求出弹簧工作圈数：依据变形条件求出弹簧工作圈数：6）计算弹簧丝长度：计算弹簧丝长度：新疆高校专用 作者：潘存云教授 环环形形弹弹簧簧潘存云教授研制板簧板簧潘存云教授研制16-5 其他弹簧简介其他弹簧简介 涡卷弹簧涡卷弹
34、簧碟碟形形弹弹簧簧潘存云教授研制潘存云教授研制新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制1234OFy/t一、碟形弹簧一、碟形弹簧结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合运用个组合运用载荷、变形：轴向力沿周边匀整分布、载荷、变形：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：呈非线性，变形取决于比值特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变更。变更。重要特性：重要特性：当当h/t1.5时，中间一段接近于水平。时，中间一段接近于水平。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
35、中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变更的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。F簧片变平点簧片变平点D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5潘存云教授研制新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F加载加载卸载卸载碟形弹簧组合形式碟形弹簧组合形式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，导致加载和卸载特性曲线不一样。吸振实力吸振实力复合式弹簧：复合式弹簧：叠合式组合弹簧叠合式组合弹簧-摩擦阻尼大，特殊适用于缓冲和吸振摩擦阻尼大，特殊适用于缓冲和吸振在变形量不变时，承
36、载力大大增加在变形量不变时，承载力大大增加。摩擦消耗的能量摩擦消耗的能量-阴影面积阴影面积可同时增加变形量和可同时增加变形量和承载实力承载实力新疆高校专用 作者：潘存云教授 优点：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。用途：用途：常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在常用作重型机械、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离合器、减压阀、密封圈、自动限制机构中获得了广泛地应用。泛地应用。缺点：缺点：用作高精度限制弹簧时，对材料和制造工艺（加工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）
37、要求较严，制造困难。精度、热处理）要求较严，制造困难。新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制所消耗的能量F bOFA加载加载B卸载卸载二、环形弹簧二、环形弹簧工作原理：工作原理：在轴向载荷的作用下，内外圆环的接触面在轴向载荷的作用下，内外圆环的接触面之间将产生很大的法向反力，迫使内环直径减小、外之间将产生很大的法向反力，迫使内环直径减小、外环直径加大；当卸载后，由于环的角大于摩擦角，弹环直径加大；当卸载后，由于环的角大于摩擦角，弹簧在弹性内力的作用下复原。簧在弹性内力的作用下复原。特性曲线：加载曲线与卸载曲线不重合，摩擦耗能大。特性曲线：加载曲线与卸载曲线不重合，摩擦耗能
38、大。由于内外圆环的接触锥面之间产生很大的摩擦力，工由于内外圆环的接触锥面之间产生很大的摩擦力，工作中由于克服摩擦力而消耗很多能量。作中由于克服摩擦力而消耗很多能量。应用：应用：因具有很强的缓冲吸振作用，常用于缓冲装置。因具有很强的缓冲吸振作用，常用于缓冲装置。结构特点：结构特点：由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一由若干个带锥面的内外圆环组合而成的一种压缩弹簧。种压缩弹簧。maxT maxAB段为弹簧内力克服静摩擦力的状况FFF新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制AU所储能量maxT maxT maxminTbs弹簧丝截面弹簧丝截面特性曲线：特性曲线：三、平面蜗卷弹簧（
39、三、平面蜗卷弹簧（发条弹簧发条弹簧）结构特点：形态呈阿基米德螺线，外端固定在活动构结构特点：形态呈阿基米德螺线，外端固定在活动构 件上，内端固定在心轴上，截面呈矩形。件上，内端固定在心轴上，截面呈矩形。作用：作用：积蓄能量，带动活动构件运动，完成机构所需积蓄能量，带动活动构件运动，完成机构所需 要的动作。要的动作。载荷：载荷：外载荷是扭矩，簧丝截面受弯矩。外载荷是扭矩，簧丝截面受弯矩。受力与圆柱螺旋扭簧相同应用实例：仪表机构的发条及武器的放射弹簧。应用实例：仪表机构的发条及武器的放射弹簧。T T由于结构缘由，中间段呈直线，两端不是。由于结构缘由，中间段呈直线，两端不是。新疆高校专用 作者：潘存云教授 潘存云教授研制潘存云教授研制所消耗的能量四、板弹簧四、板弹簧 FminFmin结构特点：结构特点：由若干片长度不等，曲率不同的弹簧钢板由若干片长度不等，曲率不同的弹簧钢板组合而成。装配后产生初应力，以提高强度。组合而成。装配后产生初应力，以提高强度。与工作变形相反特性曲线：特性曲线：夹在时板簧的弯曲变形量与载荷成正比；夹在时板簧的弯曲变形量与载荷成正比；由于有摩擦，卸载时曲线不是直线。由于有摩擦，卸载时曲线不是直线。应用：应用：板簧主要用在车辆悬挂装置中，起减振作用。板簧主要用在车辆悬挂装置中，起减振作用。F maxmax