彈簧設(shè)計(jì)參考

1、彈簧參考資料§ 12-1 概述彈簧是常用的彈性零件，它在受載后產(chǎn)生較大的彈性變形，吸收并儲(chǔ)存能量。 彈簧有以下的主要功能：(1) 減振和緩沖。如緩沖器，車輛的緩沖彈簧等。(2) 控制運(yùn)動(dòng)。如制動(dòng)器、離合器以及內(nèi)燃機(jī)氣門控制彈簧。(3) 儲(chǔ)存或釋放能量。如鐘表發(fā)條，定位控制機(jī)構(gòu)中的彈簧。測(cè)量力和力矩。用于測(cè)力器、彈簧秤等。按彈簧的受力性質(zhì)不同，彈簧主要分為：拉伸彈簧，壓縮彈簧，扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧。按彈簧的形狀不同又可分為螺旋彈簧、板彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧等c 此外還有空氣彈簧、橡膠彈簧等。§ 12-2圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)一、圓柱形拉、壓螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和特性曲線

2、1、彈簧的結(jié)構(gòu)(1)壓縮彈簧(圖12- 1)A、YI型：兩端面圈并緊磨平B、丫川型：兩端面圈并緊不磨平。磨平部分不少于圓周長(zhǎng)的3/4，端頭厚度一般不少于d/8。不同中徑的壓縮彈簧受力變形臺(tái)i丫 I型圖12-1 壓縮彈簧拉伸彈簧（圖12-2）A、LI型：半圓形鉤B、LU型：圓環(huán)鉤C、L%型：可調(diào)式掛鉤，用于受力較大時(shí)不同中徑的拉伸彈簧受力變形如“ nttr 9佃lvji為圖12-2 拉伸彈簧2、主要幾何尺寸彈簧絲直徑d、外徑D、內(nèi)徑-】、中徑':、節(jié)距p、螺旋升角、自由高度（壓縮彈簧）或長(zhǎng)度（拉伸彈簧）亠，如圖12-3。此外還有有限圈數(shù)n 幾何尺寸計(jì)算公式見表12-1。（a）(b)圖12

3、-3圓柱形拉、壓螺旋彈簧的參數(shù)表12-1圓柱形壓縮、拉伸螺旋彈簧的幾何尺寸計(jì)算公式名稱與代號(hào)壓縮螺旋彈簧拉伸螺旋彈簧彈簧直徑d/mm由強(qiáng)度計(jì)算公式確定彈簧中徑D2/mmD2=Cd彈簧內(nèi)徑D/mmD=C2- d彈簧外徑DmmD=D2+d彈簧指數(shù)CC=D/ d 般 4< C<6螺旋升角 廠對(duì)壓縮彈簧，推薦=5°9°有效圈數(shù)n由變形條件計(jì)算確定一般n>2總?cè)?shù)n1壓縮 n1= n+ （22.5）；拉伸 n1 = nn1= n+ （1.52）（ YI型熱卷）；n1的尾數(shù)為1/4、1/2、3/4或整圈，推薦1/2圈自由高度或長(zhǎng)度 H/mm兩端圈磨平 n1= n+ 1

4、.5時(shí)，H np+d n1= n+ 2 時(shí)，H np+1.5 d n1 n+ 2.5 時(shí)，H np+2d 兩端圈不磨平 n1= n + 2時(shí)，H= np+3d n1= n + 2.5 時(shí)，H)= np+3.5 dLI 型 H)= (n+1)d+Di LH型 H= (n+1)d+2D l皿型 H)= ( n+1.5) d+2D工作高度或長(zhǎng)度 H/mmH= H>入 nH= H+入n，入n-變形量節(jié)距p/mmp d間距 /mmp- d0壓縮彈簧高徑比 bb H)/Db展開長(zhǎng)度L/mmL= Dn“COSL= D2n+鉤部展開長(zhǎng)度彈簧指數(shù)C：彈簧中徑D2和簧絲直徑d的比值即：C=D2/do彈簧絲直

5、徑d相同時(shí)，C值小則彈簧中徑D2也小，其剛度較大。反之則剛度較 小。通常C值在416范圍內(nèi)，可按表12-2選取。表12-2圓柱螺旋彈簧常用彈簧指數(shù)C彈簧直徑d/mm0.2 0.40.5 11.1 2.22.5 671618 42C71451251041048463、特性曲線彈簧所受載荷與其變形之間的關(guān)系曲線稱為彈簧的特性曲線。(1)壓縮彈簧其特性曲線如圖12-4所示。圖中H)為彈簧未受載時(shí)的自由高度。Fmin為最小工作載荷，它是使彈簧處于安裝 位置的初始載荷。在Fmin的作用下，彈簧從自由高度 H)被壓縮到Hl,相應(yīng)的彈簧 壓縮變形量為入min。在彈簧的最大工作載荷Fmax作用下，彈簧的壓縮變

6、形量增 至入max。圖中Flim為彈簧的極限載荷，在其作用下，彈簧高度為Him，變形量為入lim，彈簧絲應(yīng)力達(dá)到了材料的彈性極限。此外，圖中的h= X max-入min，稱為彈簧的工作行程。圖12-4圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線圖12-5圓柱螺旋拉伸彈簧的特性曲線(2)拉伸彈簧其特性曲線如圖12-5所示。按卷繞方法的不同，拉伸彈簧分為無(wú)初應(yīng)力和有初應(yīng)力兩種。無(wú)初應(yīng)力的拉伸彈 簧其特性曲線與壓縮彈簧的特性曲線相同。有初應(yīng)力的拉伸彈簧的特性曲線，如 圖12-5c所示。有一段假想的變形量X,相應(yīng)的初拉力Fo，為克服這段假想變形 量使彈簧開始變形所需的初拉力，當(dāng)工作載荷大于 Fo時(shí)，彈簧才開始伸長(zhǎng)。對(duì)于

7、一般拉、壓螺旋彈簧的最小工作載荷通常取為 Fmin >0.2Fim，對(duì)于有初拉力 的拉伸彈簧Fmin>Fo;彈簧的工作載荷應(yīng)小于極限載荷，通常取FmaxW0.8 Flim，因此，為保持彈性的線性特性，彈簧的工作變形量應(yīng)取在(0.20.8) X lim范圍內(nèi)。、圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)約束分析 1、強(qiáng)度約束條件圖12-6為承受軸向載荷的壓縮彈簧，現(xiàn)分析其受力情況，拉伸彈簧的簧絲受力 情況完全相同。如圖12-6a，在通過(guò)軸線的剖面上，彈簧絲的剖面為橢圓，但由 于螺旋升角一般很小，可近似地用圓形剖面代替。將作用于彈簧的軸向載荷F移至這個(gè)剖面，在此剖面上有轉(zhuǎn)矩：T=FD/2和剪切力F的聯(lián)合

8、作用。這二者在式中:計(jì)算:彈簧絲剖面上引起的最大剪切應(yīng)力 T為：K為曲度系數(shù)（或稱補(bǔ)償系數(shù)），用以考慮螺旋升角和彈簧絲曲率等的影響，其值可按下式401 0.615卜4C-4 C則彈簧絲的強(qiáng)度約束條件為：仏二氣含郭或1 r式中：T 為許用剪切應(yīng)力；Fmax為彈簧的最大工作載荷。(41 1圖12-6受軸向載荷的壓縮彈簧2、剛度約束條件圓柱螺旋彈簧的變形計(jì)算公式是根據(jù)材料力學(xué)求得的，即:,8FCA =Gd式中，G為材料的剪切彈性模量。由此可得剛度約束條件為 ? F 引-=廠或昭%©式中：k為彈簧剛度，表示彈簧單位變形所需的力。 一般n應(yīng)圓整為0.5的整數(shù)倍，且大于23、穩(wěn)定性約束條件當(dāng)作用

9、在壓縮彈簧的載荷過(guò)大，高徑比 b=Ho/ D2超出一定范圍時(shí)，彈簧會(huì)產(chǎn)生較 大的側(cè)向彎曲（圖12-7）而失穩(wěn)。為保證彈簧的穩(wěn)定性，一般規(guī)定，兩端固定時(shí)取b<5.3 ; 一端固定另一端自由時(shí), 取b<3.7 ;兩端自由時(shí)，應(yīng)取b<2.6。如未能滿足上述要求，則要按下式進(jìn)行穩(wěn) 定性驗(yàn)算：Fmax<Fc=CBkH）式中：Fc為臨界載荷，Cb為不穩(wěn)定系數(shù)，見圖 12-8。圖12-7 壓縮彈簧的失穩(wěn)圖12-8 不穩(wěn)定系數(shù)Cb三、彈簧的材料與許用應(yīng)力常用的彈簧材料有：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹鋼和銅合金材料以及非 金屬材料。選擇材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)彈簧的功用、載荷大小、載荷性質(zhì)及循環(huán)特

10、性、 工作強(qiáng)度、周圍介質(zhì)以及重要程度來(lái)進(jìn)行選擇，幾種彈簧材料的性能和許用應(yīng)力 值見表12-3，彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度見表12-4。表12-4彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度b(MPa)碳素彈簧鋼絲(GB/T1239.6-92)油淬-回火碳素彈簧鋼絲(GB/T1239.6-92)不銹鋼彈簧鋼絲(GB/T1239.6-92)鋼絲直徑d/mmB級(jí)低應(yīng) 力彈簧C級(jí)中應(yīng) 力彈簧D級(jí)高應(yīng) 力彈簧鋼絲直徑d/mmA類一般 強(qiáng)度B類較高 強(qiáng)度鋼絲直徑d/mmABC1Cr18Ni9OCr17Ni8AlOCr19Ni10OCr17Ni12Mo211.62.02.53.03.23.544.5567816601570147014201

11、37013201320132012201170196018301710166015701570152014701420137023002110191017601710166016201570152022.22.533.23.544.555.56.57910以上161815691520147114221373132412751226117717161667161815691520147114221373132412750.10.20.230.40.450.70.81.01.21.41.62.02.32.62.844.566.581628156915691471137313241275117710

12、799812157205919611863176516671590147113731275196119611814176516671569147113731275注：表中 b值均為下限值，單位為 MPa表12-3彈簧材料和許用應(yīng)力類別牌號(hào)壓縮彈簧許用剪切應(yīng)力/MPa許用彎曲應(yīng)力b/MPa切變 模量G/MPa彈性 模量 日MPa推薦 硬度范 圍HRC推薦使用溫度/C特性及 用途I類n類皿類n類皿類鋼絲碳素彈簧 鋼絲、琴鋼絲(0.30.38)b(0.380.45)b0.5 b(0.60.68)b0.8b79000206000-40120強(qiáng)度高， 性能好， 適用于 做小彈 簧，如安 全閥彈 簧或要

13、求不高 的大彈 簧油淬-回火、 碳素彈簧鋼絲(0.350.4)b(0.40.47)b0.55b(0.60.68)b0.8b65Mn34045557057071060Si2 Mn60Si2 MnA4455907407409254050-40200彈性好， 回火穩(wěn) 定性也， 易脫碳， 用于受 大載荷 的彈簧。60Si2 Mn可作汽 車拖拉 機(jī)的彈 簧， 60Si2 Mn A可作機(jī) 車緩沖 彈簧50CrVA4550-40.210用作截 面大高 應(yīng)力彈 簧,亦用 于變載 荷高溫 工作的 彈簧65Si2 MnWA60Si2CrVA56074593193111674752-40250強(qiáng)度高， 耐咼溫， 耐

14、沖擊，彈性好30W4Cr2VA4425887357359204347-40350高溫時(shí) 強(qiáng)度高， 淬透性 好不 銹 鋼 絲1Cr8Ni9OCr19Ni10OCr17Ni12Mo2OCr17Ni8Al(0.280.34)b(0.340.38)b0.45b(0.50.65)b0.75b71000185000-200300耐腐蝕1Cr18Ni9Ti2Cr18Ni932443253353367771600193000-250300耐腐蝕， 耐咼溫， 適用于 做化工， 航海用 小彈簧4Cr13441588735735922755002150004853-40300耐腐蝕， 耐咼溫， 用于做 化工、航 海

15、的較 大尺寸 彈簧Co40CrNiMo500667834834100076500197000-40400耐腐蝕， 高強(qiáng)度， 無(wú)磁，低 后效，咼 彈性青銅絲QSi3-12653534424425504100093000HBS90100-40120耐腐蝕， 防磁。用 作電器 儀表，航 海的彈簧QSn 4-3QS n6.5-0.140000QBe2353442550550730440001290003740-40120導(dǎo)電性 好，彈性 好,耐腐 蝕，防 磁,用作 精密儀 器彈簧注：1、 按受力循環(huán)次數(shù) N不同，彈簧分為三類：1類N>1000000 ;類N= 1000100000，可用作受 沖擊

16、載荷的彈簧；皿類 N<1000 ；2、 拉伸彈簧的許用剪應(yīng)力為壓縮彈簧的80%3、 表中、b、G和E值，是在常溫下按表中推薦硬度范圍的下限時(shí)的數(shù)值。四、圓柱拉、壓螺旋彈簧的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例彈簧設(shè)計(jì)的任務(wù)是要確定彈簧絲直徑 d、工作圈數(shù)n以及其它幾何尺寸，使 得能滿足強(qiáng)度約束、剛度約束及穩(wěn)定性約束條件，進(jìn)一步地還要求相應(yīng)的設(shè)計(jì)指 標(biāo)(如體積、重量、振動(dòng)穩(wěn)定性等)達(dá)到最好。具體設(shè)計(jì)步驟為：先根據(jù)工作條件、要求等，試選彈簧材料、彈簧指數(shù)C。由于b與d有關(guān)，所以往往還要事先假定彈簧絲的直徑 d,接下來(lái)計(jì)算d、n的值及相應(yīng)的其它幾何尺寸，如果所得結(jié)果與設(shè)計(jì)條件不符合，以上過(guò)程要重復(fù)進(jìn)行。 直到求得滿

17、足所有約束條件的解即為本問(wèn)題的一個(gè)可行方案。實(shí)際問(wèn)題中，可行方案是不唯一的，往往需要從多個(gè)可行方案中求得較優(yōu)解。例12-1 設(shè)計(jì)一圓柱形螺旋壓縮彈簧，簧絲剖面為圓形。已知最小載荷Fmin=200N,最大載荷Fmax=500N,工作行程h=10mm彈簧H類工作，要求彈簧外徑不超過(guò)28mm端部并緊磨平。解：試算(一):(1) 選擇彈簧材料和許用應(yīng)力。選用C級(jí)碳素彈簧鋼絲。根據(jù)外徑要求，初選 C=7，由C=D/d=(Dd)/d 得d=3.5mm,由表 12-4 查得b=1570MPa 由表 12-3 知：=0.41b=644MPa(2) 計(jì)算彈簧絲直徑 d卩 4C-1 0615K =+由式 -I &

18、#39;一得 K=1.2146呼£ 由式' I得d>4.1 mm由此可知，d=3.5mm的初算值不滿足強(qiáng)度約束條件，應(yīng)重新計(jì)算。試算(二):(1)選擇彈簧材料同上。為取得較大的d值，選C=5.3。仍由 C=(D-d)/ d，得 d=4.4mmo查表 12-4 得b=1520MPa 由表 12-3 知=0.41 b=623MPa(2)計(jì)算彈簧絲直徑d4C-1 0.6154由式得 K=1.294C-4 C由式畑16得 d>3.7mm可知：d=4.4mm滿足強(qiáng)度約束條件。（3）計(jì)算有效工作圈數(shù)n由圖12-4確定變形量 入max： 入max=16.7mn%查表 12-3

19、, G=79000N/ 認(rèn)由式b七得 n=9.75取n=10,考慮兩端各并緊一圈，則總?cè)?shù)ni=n+2=12。至此，得到了一個(gè)滿足強(qiáng)度與剛度約束條件的可行方案，但考慮進(jìn)一步減少?gòu)椈赏庑纬叽缗c重量，再次進(jìn)行試算。試算（三）：仍選以上彈簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm查表 12-4，得b=1520MPa =0.41b=623MPa 計(jì)算彈簧絲直徑。得 d>3.91 mm知d=4mm滿足強(qiáng)度條件。 計(jì)算有效工作圈數(shù) n。由試算（二）知，入max=16.7mm, G=79000N/'由式得n=6.11取n=6.5圈，仍參考兩端各并緊一圈，n1=n+2=8.5。這一計(jì)算結(jié)果即滿足強(qiáng)度與剛度約束條件，從外形尺寸和重量來(lái)看，又是一個(gè)較優(yōu)的解，可將這個(gè)解初步確定下來(lái)，以下再計(jì)算其它尺寸并作穩(wěn)定性校核。確定變形量 入max、入min、入lim和實(shí)際最小載荷 Fmin彈簧的極限載荷為：.- I :因?yàn)楣ぷ魅?shù)由6.11改為6.5，故彈簧的變形量和最小載荷也相應(yīng)有所變化。X =由式得：Gd7Wx4mm = 22.22 mm8x6JxJD0x6379000 x 4mm =17.77 myn入 min=入 mah=(17.77-10)mm=7.77mmmux777対珈即x4SxlS J x63N=21S（5）求彈簧的節(jié)距p、自由高度 H）、螺旋升角丫和簧