spring knowledge

1、第15章 彈 簧 第15章 彈 簧 15.1 彈簧的功能彈簧的功能 15.2 彈簧的類型、彈簧的類型、 特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用 15.3 彈簧的材料和制造彈簧的材料和制造 15.4 圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線 15.5 圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 習(xí)習(xí) 題題 第15章 彈 簧 15.1 彈彈 簧簧 的的 功功 能能 彈簧是一種彈性元件，由于材料的彈性和彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 它具有多次重復(fù)地隨外載荷的大小而做相應(yīng)的彈性變形，卸載后立即恢復(fù)原狀的特性。很多機(jī)械正是利用彈簧的這一特點(diǎn)來滿足特殊要求的。其主要功能有： (1) 減

2、振和緩沖，如車輛的懸掛彈簧，各種緩沖器和彈性聯(lián)軸器中的彈簧等。 (2) 測力，如測力器和彈簧秤的彈簧等。 (3) 儲(chǔ)存及輸出能量，如鐘表彈簧，槍栓彈簧，儀表和自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)上的原動(dòng)彈簧等。 (4) 控制運(yùn)動(dòng)，如控制彈簧門關(guān)閉的彈簧，離合器、制動(dòng)器上的彈簧， 控制內(nèi)燃機(jī)氣缸閥門開啟的彈簧等。 第15章 彈 簧 15.2 彈簧的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用彈簧的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用 彈簧的分類方法很多，按照所承受的載荷不同，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種；按照形狀的不同，彈簧可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、盤形彈簧和板彈簧等；按照使用材料的不同， 彈簧可分為金屬彈簧和非金屬彈簧。各種彈簧

3、的特點(diǎn)、應(yīng)用見表15-1。 在一般機(jī)械中，最常用的是圓柱螺旋彈簧。故本章主要講述這類彈簧的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。 第15章 彈 簧 15.3 彈簧的材料和制造彈簧的材料和制造 15.3 彈簧的材料和制造彈簧的材料和制造 1. 彈簧的材料彈簧的材料 彈簧常在變載荷和沖擊載荷作用下工作，而且要求在受極大應(yīng)力的情況下，不產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強(qiáng)度極限、彈性極限和疲勞強(qiáng)度極限，不易松弛。同時(shí)要求有較高的沖擊韌性，良好的熱處理性能等。常見的彈簧材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼和銅合金。幾種主要彈簧材料的使用性能和許用應(yīng)力見表15-2。 第15章 彈 簧 表表15-1 彈簧的基本類型

4、、特點(diǎn)和應(yīng)用彈簧的基本類型、特點(diǎn)和應(yīng)用 第15章 彈 簧 表表15-1 彈簧的基本類型、特點(diǎn)和應(yīng)用彈簧的基本類型、特點(diǎn)和應(yīng)用 第15章 彈 簧 表表15-2 螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力 第15章 彈 簧 表表15-3 GB4357-89碳素彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度碳素彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度 第15章 彈 簧 2. 彈簧的制造彈簧的制造 螺旋彈簧的制造工藝包括卷繞、兩端面加工(壓縮彈簧)或制作掛鉤(拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧)、熱處理工藝實(shí)驗(yàn)，必要時(shí)還需進(jìn)行強(qiáng)壓處理或噴丸處理。 卷制是把合乎技術(shù)條件規(guī)定的彈簧絲卷繞在芯棒上。大量生產(chǎn)時(shí)，是在萬能自動(dòng)卷簧機(jī)上卷制；單件小批生產(chǎn)時(shí)，則在普通車

5、床上或在手動(dòng)卷繞機(jī)上卷制。 彈簧的卷繞方法有冷卷和熱卷兩種。彈簧絲直徑小于810 mm時(shí)用冷卷法，反之，則用熱卷法。冷卷法是用已經(jīng)過熱處理的冷拉碳素彈簧鋼絲在常溫下卷繞，卷成后一般不再經(jīng)淬火處理， 只經(jīng)低溫回火以消除內(nèi)應(yīng)力。熱卷需先加熱(通常為8001000，按彈簧絲直徑大小選定)，卷成后再經(jīng)淬火和回火處理。 第15章 彈 簧 為了提高彈簧的承載能力，在彈簧制成后，可再進(jìn)行強(qiáng)壓處理或噴丸處理等強(qiáng)化措施。強(qiáng)壓處理是使彈簧在超過極限載荷下受載648小時(shí)；噴丸處理是用一定的速度向彈簧噴射鋼丸或鑄鐵丸。這兩種強(qiáng)化處理都是使彈簧的表層產(chǎn)生塑性變形，保留有利的殘余應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力的方向恰與工作應(yīng)力相反，

6、故在彈簧受載時(shí)可抵消部分工作應(yīng)力。經(jīng)強(qiáng)化處理的彈簧，不宜在較高溫度(150450)和長期振動(dòng)及有腐蝕介質(zhì)的場合工作。 第15章 彈 簧 此外，彈簧還須進(jìn)行工藝試驗(yàn)和根據(jù)彈簧技術(shù)條件的規(guī)定進(jìn)行精度、沖擊、疲勞等試驗(yàn)，以檢驗(yàn)彈簧是否符合技術(shù)要求。 需特別指出的是， 彈簧的持久強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，在很大程度上取決于彈簧絲的表面狀況。所以彈簧絲表面必須光潔， 沒有裂紋和傷痕等缺陷。表面脫碳會(huì)嚴(yán)重影響材料的持久強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度， 因此脫碳層深度和其他表面缺陷應(yīng)在驗(yàn)收彈簧的技術(shù)條件中詳細(xì)規(guī)定。重要用途的彈簧還需進(jìn)行表面保護(hù)處理（如鍍鋅），普通的彈簧一般涂油或漆。 第15章 彈 簧 15.4 圓柱螺旋壓縮（拉

7、伸）彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的幾何參數(shù)和特性曲線 15.4.1 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu) 圓柱螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)形式很多，壓縮彈簧的兩端各有圈與鄰圈并緊，只起支撐作用，不參與變形，故稱支撐圈（或死圈）。支撐圈端面與彈簧座接觸，常見的端部結(jié)構(gòu)有并緊磨平的Y型和并緊不磨平的Y型兩種，如圖15-1所示。 在重要場合應(yīng)采用Y型以保證兩支承端面與彈簧的軸線垂直， 從而使彈簧受壓時(shí)不致歪斜。兩端磨平部分的長度不少于3/4 圈， 彈簧絲末端厚度一般為d4。 41143第15章 彈 簧 圖15-1 圓柱螺旋壓縮彈簧的端面圈 第15章 彈 簧 拉伸彈簧的端部制出掛鉤，以便安裝

8、和加載。 常用的端部結(jié)構(gòu)形式如圖15-2所示。 其中，L型和L型制造方便，應(yīng)用廣泛，但因在掛鉤過渡處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，故只宜用于彈簧絲直徑d10 mm的彈簧，L型和L型掛鉤受力情況較好， 且可轉(zhuǎn)向任何位置， 便于安裝。 對受力較大的重要彈簧， 最好采用L型掛鉤， 但其制造成本較高。 第15章 彈 簧 圖15-2 圓柱螺旋壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu) 第15章 彈 簧 15.4.2 基本參數(shù)和幾何尺寸基本參數(shù)和幾何尺寸 圖15-3 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù) 第15章 彈 簧 表表15-4 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算公式圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算公式 第15章 彈 簧 15.4.3 圓柱螺旋彈簧的特性曲線圓

9、柱螺旋彈簧的特性曲線 彈簧在彈性范圍內(nèi)變形，其變形量隨載荷的變化而變化。表示彈簧工作過程中所受載荷與變形量之間關(guān)系的曲線，稱為彈簧的特性曲線。特性曲線給設(shè)計(jì)彈簧時(shí)的受力分析提供了方便， 同時(shí)也是彈簧質(zhì)量檢驗(yàn)或試驗(yàn)的重要依據(jù)。 圖15-4所示為圓柱螺旋壓縮彈簧及其特性曲線。彈簧在未受載荷時(shí)，自由高度為H0。安裝彈簧時(shí)，為使它能可靠地穩(wěn)定在工作位置上，通常預(yù)加一初始載荷F1， 此時(shí)彈簧的高度由H0被壓縮到H1，其壓縮量為1。當(dāng)彈簧工作時(shí)，在最大工作載荷F2作用下，彈簧高度被壓縮到H2，相應(yīng)的壓縮量為2，彈簧的工作行程h =21。為保證彈簧安全可靠的工作，在F2作用下彈簧絲中產(chǎn)生的應(yīng)力不應(yīng)超過材料的

10、許用應(yīng)力。當(dāng)彈簧的載荷增加到極限載荷Flim時(shí)，彈簧高度被壓縮到Hlim，其壓縮變形量為lim，此時(shí)彈簧絲中的應(yīng)力剛好達(dá)到材料的彈性極限。 第15章 彈 簧 圖15-4 圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線 第15章 彈 簧 設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，彈簧的初始載荷通常取為：F1=(0.10.5)F2。 最大工作載荷F2按工作要求確定，但為保證彈簧的正常工作， 應(yīng)使F2 0.8Flim。 圖15-5所示為圓柱螺旋拉伸彈簧及其特性曲線。按卷繞方式不同，拉伸彈簧分無初應(yīng)力和有初應(yīng)力兩種。無初應(yīng)力拉伸彈簧的特性曲線與壓縮彈簧的特性曲線相同。初應(yīng)力是在彈簧卷繞過程中，由各圈彈簧并緊而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成的，這個(gè)力稱為初拉力F0只

11、有外載荷超過初拉力F0后，彈簧才開始變形。使彈簧產(chǎn)生單位變形量所需的載荷，稱為彈簧剛度，用K表示。由圖15-4和圖15-5可以看出，對于等節(jié)距的圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧，其特性曲線為一斜直線，即彈簧所產(chǎn)生的變形量與其所承受的載荷F成正比例關(guān)系，故剛度KF/常數(shù)，這種彈簧稱為定剛度彈簧。 第15章 彈 簧 圖15-5 圓柱螺旋拉伸彈簧特性曲線 第15章 彈 簧 15.5 圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 15.5.1 強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算 彈簧的強(qiáng)度計(jì)算是為了確定彈簧絲的直徑。設(shè)一圓柱壓縮彈簧受軸向載荷F作用，為求彈簧絲截面上的內(nèi)力，可假想將彈簧用垂直于簧絲軸線的截面切開，如忽略螺旋升角

12、的影響，則該截面可近似看成在彈簧的軸截面內(nèi)，如圖15-6（a）所示。根據(jù)上半段彈簧的平衡條件，可得作用在彈簧絲截面上的內(nèi)力為剪力F和扭矩T，顯然T = F（D2/2） 。 第15章 彈 簧 在剪力F和扭矩T的作用下，彈簧絲截面上的應(yīng)力可近似取為 )21 (416242322maxCdFdDFdFTF式中：F，T分別為剪力F和扭矩T引起的最大剪應(yīng)力； 彈簧指數(shù)（或旋繞比）。 dDC2第15章 彈 簧 圖15-6 圓柱螺旋壓縮彈簧的受力分析及應(yīng)力分布 第15章 彈 簧 由式（15-1）可見， 由于2C遠(yuǎn)比1大， 故剪力F對彈簧的影響很小。 在彈簧絲材料和直徑相同時(shí)，彈簧指數(shù)C愈小，彈簧愈硬， 曲率

13、也愈大，卷繞也就愈困難；C值愈大，則彈簧愈軟，卷制雖易，但容易出現(xiàn)顫動(dòng)。 所以彈簧指數(shù)C不能過大或過小。表15-5給出了彈簧指數(shù)C的薦用值，常用值為58。 表表15-5 圓柱螺旋彈簧圓柱螺旋彈簧C的薦用值的薦用值 第15章 彈 簧 實(shí)際上由于受彈簧絲螺旋升角和曲率的影響， 彈簧絲截面中的應(yīng)力分布將如圖15-6（b）所示，其最大剪應(yīng)力 產(chǎn)生在彈簧絲界面內(nèi)側(cè)的a點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)證明，大多數(shù)彈簧的斷裂也都是從a點(diǎn)開始的。 因此， 彈簧的強(qiáng)度條件為 max82maxdFCKKQTQ（15-2） 式中：KQ為曲率系數(shù)，它考慮了簧絲螺旋升角和曲率對彈簧絲應(yīng)力的影響，同時(shí)也考慮了被忽略的F的影響。曲率系數(shù)KQ可按下

14、式計(jì)算： CCCKQ615. 04414（15-3） 第15章 彈 簧 在求彈簧絲直徑d時(shí)， 式（15-3）中的F應(yīng)為最大工作載荷F2，故得 82CFKdQ(15-4) 式中：許用剪應(yīng)力， 可根據(jù)工作特點(diǎn)由表15-2和表15-3查取。 應(yīng)用上式計(jì)算時(shí)，如材料為優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼，則其許用剪應(yīng)力與彈簧絲直徑d有關(guān)，故需采用試算法。求得的彈簧絲直徑d應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值（見表15-6）。 第15章 彈 簧 表表15-6 彈簧絲直徑彈簧絲直徑d的標(biāo)準(zhǔn)系列的標(biāo)準(zhǔn)系列 對拉伸彈簧，當(dāng)受軸向載荷作用時(shí)，彈簧絲截面上的受載情況與壓縮彈簧一樣，故式（15-3）也適用于拉伸彈簧，考慮到鉤環(huán)處彎曲應(yīng)力對彈簧絲強(qiáng)度的影響，計(jì)

15、算時(shí)應(yīng)將許用應(yīng)力降低20%。 第15章 彈 簧 15.5.2 剛度計(jì)算剛度計(jì)算 彈簧的剛度計(jì)算是求出滿足變形量要求的彈簧圈數(shù)。 圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧受載后的軸向變形量， 可根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)公式求得， 即 4328GdnFD(15-5) 式中： n彈簧的工作圈數(shù)； G彈簧材料的剪切彈性模量，鋼為8104 MPa，青銅為4104 MPa。 第15章 彈 簧 由上式可得彈簧剛度K的計(jì)算公式為 nCGdFK38(15-6) 由此可見，彈簧剛度與彈簧指數(shù)成反比，即彈簧指數(shù)的大小對彈簧剛度的影響很大。 另外，彈簧圈數(shù)越多，彈簧剛度就越?。环粗?， 彈簧剛度就越大。 設(shè)計(jì)時(shí)，彈簧的工作圈數(shù)是根據(jù)變形量決

16、定的，由式（15-5）可得 3228CFGdn（15-7） 為制造方便，當(dāng)n15時(shí)，取n為0.5的倍數(shù)；當(dāng)n15時(shí)，則取n為整數(shù)。彈簧的工作圈數(shù)n不得少于2圈。 第15章 彈 簧 15.5.3 彈簧的穩(wěn)定性校核彈簧的穩(wěn)定性校核 對于圈數(shù)較多的壓縮彈簧，當(dāng)高徑比b=H0/D2較大，而載荷又達(dá)到一定值時(shí)，彈簧就會(huì)發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失穩(wěn)定性，如圖15-7所示。這種情況在工作中是不允許的。為了便于制造及避免失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般壓縮彈簧的高徑比按下列情況選?。?當(dāng)兩端固定時(shí)，取b5.3； 當(dāng)一端固定， 另一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b3.7； 當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b2.6； 第15章 彈 簧 當(dāng)大于上述各種情況下推薦

17、值時(shí)， 應(yīng)按下式進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算： Fc=CuKH0F2 （15-8） 式中：Fc穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷，N； Cu不穩(wěn)定系數(shù)， 見圖15-8； H0自由高度，mm； F2最大工作載荷，N； K彈簧剛度，N/mm。 第15章 彈 簧 圖15-7 壓縮彈簧的失穩(wěn) 第15章 彈 簧 圖15-8 不穩(wěn)定系數(shù)Cu值 第15章 彈 簧 圖15-9 導(dǎo)桿和導(dǎo)套 (a) 導(dǎo)桿； (b) 導(dǎo)套 第15章 彈 簧 圖15-10 彈簧的兩端支承情況 (a) 回轉(zhuǎn)支承； (b) 固定支承第15章 彈 簧 【例15-1】試設(shè)計(jì)一圓柱螺旋壓縮彈簧。已知安裝初載荷F1500N，最大工作載荷F21200N，工作行程h60mm，彈簧

18、套裝在M48的螺栓桿上，要求彈簧內(nèi)徑D150mm，在空氣中工作，為類彈簧。 解解 (1) 選擇彈簧絲材料，確定許用剪應(yīng)力。 選用C級碳素彈簧鋼絲，由表15-2按照類彈簧查得許用剪應(yīng)力0.5b， G=80 000 MPa。 第15章 彈 簧 (2) 選擇彈簧指數(shù)C。根據(jù)表15-4有 50) 1(21dCdDD所以 150dC第15章 彈 簧 (3) 用試算法求彈簧絲直徑。 由于碳素彈簧鋼絲材料的機(jī)械性能與其直徑d有關(guān)， 故應(yīng)用試算法。 先試取彈簧絲直徑d=6mm，則由表15-3按照C級碳素彈簧鋼絲查得b=1420MPa。故 =0.5b=0.51420=710 MPa 33. 91650C由表15

19、-5，取C9，由式(15-3)計(jì)算得曲度系數(shù)KQ=1.16 第15章 彈 簧 由式(15-4)計(jì)算彈簧絲直徑 mmCFKdQt70. 67109120016. 1882mmCFKdQt49. 66858120018. 1882., 不安全ddt 再試取d=7mm，由表15-3查得b1370 MPa，0.5b685 MPa， ，取C=8，由式(15-3)計(jì)算得曲度系數(shù)KQ=1.18，則 1750C 安全。故取d=7 mm，C=8。 ddt第15章 彈 簧 (4) 求彈簧的工作圈數(shù)n。由式(15-6)得彈簧剛度 mmNFFFK/67.116050012001212彈簧的工作圈數(shù)n可由式(15-7)算得 12, 7 .1167.1188700080833nKCGdn取取彈簧兩端的支承圈n22，則彈簧的總?cè)?shù)為 n1=n+n2=12+2=14 第15章 彈 簧 (5) 確定彈簧的實(shí)際剛度K，并計(jì)算其變形量1和max。 由式(15-6)計(jì)算彈簧的實(shí)際剛度K為 mmNnCGdK/39.111288700080833彈簧的變形量為 mmmmKFmmmmKF105,36.10539.11120044,9 .4339.11500222111取取第15