Chapter20DesignofSprings

1、Chapter 20 Design of Springs1Chapter 20 Design of SpringsPART Design of Elements and Parts in General Use機(jī)械設(shè)計機(jī)械設(shè)計Mechanical DesignMechanical DesignChapter 20 Design of Springs220.1 Types and Functions of Springs 彈簧的類型及功用彈簧的類型及功用20.1.1 Classification of Springs 彈簧的分類彈簧的分類螺旋彈簧螺旋彈簧(helical spring) 碟形彈簧

2、碟形彈簧(coned-disk spring or Belleville spring)，環(huán)形彈簧環(huán)形彈簧(ring spring)板簧板簧(plate or flat spring, cantilever懸臂懸臂 spring or leaf spring)渦卷形彈簧渦卷形彈簧(spiral spring)按所承受載荷性質(zhì)按所承受載荷性質(zhì)拉伸彈簧拉伸彈簧(tension spring) 壓縮彈簧壓縮彈簧(compression spring)扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧(torsion spring)彎曲彈簧彎曲彈簧(bending spring) 按彈簧形狀按彈簧形狀A(yù) spring is a fle

3、xible element used to exert a force or a torque and, at the same time, to store energy.Chapter 20 Design of Springs3表表20.1 金屬彈簧的基本型式金屬彈簧的基本型式Chapter 20 Design of Springs4Chapter 20 Design of Springs5Chapter 20 Design of Springs6Chapter 20 Design of Springs7Chapter 20 Design of Springs8Chapter 20 Des

4、ign of Springs9Chapter 20 Design of Springs10(螺旋彈簧螺旋彈簧)用用彈簧絲卷繞彈簧絲卷繞制成；制造簡制成；制造簡便，價格較低，易于檢測和安裝，應(yīng)用最廣。可以制成便，價格較低，易于檢測和安裝，應(yīng)用最廣?？梢灾瞥陕菪鞆椈陕菪鞆椈?helical tension spring)螺旋壓縮彈簧螺旋壓縮彈簧(helical compression spring)螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧(helical torsion spring) Chapter 20 Design of Springs11Constant pitch (cylindrical),

5、Conical, Barrel, Hourglass, Variable pitchRight hand，Left hand ConicalConstant pitchBarrelHourglassChapter 20 Design of Springs12彈簧絲的形狀彈簧絲的形狀)round wire, rectangular wireChapter 20 Design of Springs13（碟形彈碟形彈簧簧） 可以承受很大的沖擊載可以承受很大的沖擊載荷，具有良好的吸振能力，常用荷，具有良好的吸振能力，常用作緩沖減振彈簧。作緩沖減振彈簧。在載荷相當(dāng)大和彈簧軸向尺寸受在載荷相當(dāng)大和彈簧軸向

6、尺寸受限制的地方，可以采用碟形彈簧。限制的地方，可以采用碟形彈簧。Chapter 20 Design of Springs14(環(huán)形彈簧環(huán)形彈簧)是目前減是目前減振緩沖能力最強(qiáng)的彈簧，常用作近代重振緩沖能力最強(qiáng)的彈簧，常用作近代重型機(jī)車、鍛壓設(shè)備和飛機(jī)起落裝置中的型機(jī)車、鍛壓設(shè)備和飛機(jī)起落裝置中的緩沖零件。緩沖零件。Chapter 20 Design of Springs15(渦卷形彈簧渦卷形彈簧)具有較多的圈數(shù)、變形具有較多的圈數(shù)、變形較大、儲存能量也較大的特點(diǎn)，多用于壓緊及儀表、鐘表較大、儲存能量也較大的特點(diǎn)，多用于壓緊及儀表、鐘表的動力裝置。的動力裝置。Flat Springs(板簧板簧

7、)能承受較大的彎曲作用，常用于能承受較大的彎曲作用，常用于受載方向尺寸有限制而變形量又較大的場合。由于板彈簧受載方向尺寸有限制而變形量又較大的場合。由于板彈簧有較好的消振能力，所以在汽車、拖拉機(jī)和鐵路車輛的懸有較好的消振能力，所以在汽車、拖拉機(jī)和鐵路車輛的懸掛裝置中均普遍使用這種彈簧。掛裝置中均普遍使用這種彈簧。Chapter 20 Design of Springs1620.1.2 Functions of Springs 彈簧的功用彈簧的功用控制機(jī)械的運(yùn)動控制機(jī)械的運(yùn)動吸收振動和沖擊能量吸收振動和沖擊能量如內(nèi)燃機(jī)中控制氣缸閥門啟閉的彈如內(nèi)燃機(jī)中控制氣缸閥門啟閉的彈簧、離合器中的控制彈簧；簧

8、、離合器中的控制彈簧；如各種車輛中的減振彈簧及如各種車輛中的減振彈簧及各種緩沖器的彈簧等；各種緩沖器的彈簧等；Chapter 20 Design of Springs17存儲和釋放能量存儲和釋放能量測量力的大小測量力的大小例如鐘表彈簧、槍栓彈簧等；例如鐘表彈簧、槍栓彈簧等；如彈簧秤和測力器中的彈簧等。如彈簧秤和測力器中的彈簧等。測力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手測力矩扳手定力矩扳手測力矩扳手測力矩扳手Chapter 20 Design of Springs1820.2 Materials and Manufacture of Springs 彈簧的材料和制造彈簧的材料和制造材料要求材料要

9、求除應(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)度極限和屈服極限外，除應(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。良好的熱處理工藝性等。主要彈簧材料及其使用性能主要彈簧材料及其使用性能表表20.2 實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的材料實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的材料彈簧鋼彈簧鋼，其品種又有，其品種又有碳素彈簧碳素彈簧鋼鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限, 表表20.3 20.2.1 Spring Materials 彈簧材料彈簧材料C

10、hapter 20 Design of Springs1971057057045534065Mn B、C、D級級206800.8 B(0.60.68) B0.5 B(0.380.45) B(0.30.38) B碳素彈簧鋼絲碳素彈簧鋼絲B、C、D級級鋼鋼絲絲類類彈簧彈簧類彈簧類彈簧類類彈簧彈簧類類彈簧彈簧類彈簧類彈簧彈性彈性模量模量E/GPa切變切變模量模量G/GPa許用彎曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力 b/MPa許用切應(yīng)力許用切應(yīng)力 T/ MPa代代 號號類類別別按受力循環(huán)次數(shù)按受力循環(huán)次數(shù)N不同，彈簧分為三類：不同，彈簧分為三類：類類N106；類類N=103105以以及受沖擊載荷的場合；及受沖擊載荷的場

11、合；類類N8mm)。在熱態(tài)下卷制的彈簧，卷。在熱態(tài)下卷制的彈簧，卷成后成后必須進(jìn)行淬火、中溫回火必須進(jìn)行淬火、中溫回火等處理。等處理。Chapter 20 Design of Springs24彈簧的疲勞強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度在很大的程度上取決于彈簧的彈簧的疲勞強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度在很大的程度上取決于彈簧的表面狀況，所以，表面狀況，所以，彈簧絲彈簧絲(spring wire)表面表面必須必須光潔光潔，沒有沒有裂縫裂縫和和傷痕傷痕等缺陷。表面脫碳會嚴(yán)重影響材料的疲勞強(qiáng)度和等缺陷。表面脫碳會嚴(yán)重影響材料的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能，因此，脫碳層深度和其他表面缺陷都須在驗(yàn)收抗沖擊性能，因此，脫碳層深度和其他表面缺陷

12、都須在驗(yàn)收彈簧的技術(shù)條件中詳細(xì)規(guī)定。彈簧的技術(shù)條件中詳細(xì)規(guī)定。對于重要的彈簧，還要進(jìn)行工藝檢驗(yàn)和沖擊疲勞等試驗(yàn)。對于重要的彈簧，還要進(jìn)行工藝檢驗(yàn)和沖擊疲勞等試驗(yàn)。Chapter 20 Design of Springs25為提高彈簧的承載能力，可將彈簧為提高彈簧的承載能力，可將彈簧在在超過工作極限載荷下超過工作極限載荷下進(jìn)行進(jìn)行強(qiáng)壓處強(qiáng)壓處理理(受載受載648h)，以便在簧絲內(nèi)產(chǎn)，以便在簧絲內(nèi)產(chǎn)生生塑性變形塑性變形和有益的和有益的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力，由，由于殘余應(yīng)力的符號與工作應(yīng)力相反，于殘余應(yīng)力的符號與工作應(yīng)力相反，因而彈簧在因而彈簧在工作時的最大應(yīng)力工作時的最大應(yīng)力比比未未經(jīng)強(qiáng)壓處理經(jīng)強(qiáng)壓處

13、理的彈簧小。的彈簧小。一般經(jīng)過一次一般經(jīng)過一次強(qiáng)壓處理強(qiáng)壓處理的彈簧可提高其承載能力約的彈簧可提高其承載能力約25%；若若經(jīng)經(jīng)噴丸處理噴丸處理可提高可提高20%。須注意，須注意，強(qiáng)壓處理強(qiáng)壓處理是彈簧制造的是彈簧制造的最后一道工序最后一道工序。為了保持有。為了保持有益的殘余應(yīng)力，強(qiáng)壓處理后益的殘余應(yīng)力，強(qiáng)壓處理后不應(yīng)作其它熱處理不應(yīng)作其它熱處理。而且經(jīng)強(qiáng)壓。而且經(jīng)強(qiáng)壓處理的彈簧也處理的彈簧也不宜工作在較高溫度不宜工作在較高溫度（150450 C）、長期）、長期振動和有腐蝕性介質(zhì)的場合。振動和有腐蝕性介質(zhì)的場合。 Chapter 20 Design of Springs2620.3 Workin

14、g Principle of Springs 彈簧的工作原理彈簧的工作原理表征彈簧載荷表征彈簧載荷與其變形之間關(guān)系的曲線與其變形之間關(guān)系的曲線載荷指壓力或拉力，變形是指彈簧壓載荷指壓力或拉力，變形是指彈簧壓縮量或伸長量；縮量或伸長量；載荷是指扭矩，變形是指扭角。載荷是指扭矩，變形是指扭角。20.3.1 Characteristic Curve of a Spring 彈簧特性曲線彈簧特性曲線Chapter 20 Design of Springs27彈簧的特性曲線應(yīng)繪制在彈簧的工作圖上，作為檢驗(yàn)與試驗(yàn)彈簧的特性曲線應(yīng)繪制在彈簧的工作圖上，作為檢驗(yàn)與試驗(yàn)的依據(jù)之一。同時還可在設(shè)計彈簧時，利用特性

15、曲線進(jìn)行載的依據(jù)之一。同時還可在設(shè)計彈簧時，利用特性曲線進(jìn)行載荷與變形關(guān)系的分析。荷與變形關(guān)系的分析。 按照結(jié)構(gòu)型式不同，常見的彈簧特性曲線有四種。按照結(jié)構(gòu)型式不同，常見的彈簧特性曲線有四種。Chapter 20 Design of Springs2820.3.2 Stiffness of Springs 彈簧剛度彈簧剛度彈簧剛度彈簧剛度(, ) 是指使是指使彈簧產(chǎn)生單位變形的載荷，用彈簧產(chǎn)生單位變形的載荷，用k和和kT分別表示拉分別表示拉(壓壓)彈簧的彈簧的剛度與扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度。剛度與扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度。對于拉壓彈簧對于拉壓彈簧 ddFk 對于扭轉(zhuǎn)彈簧對于扭轉(zhuǎn)彈簧 ddTkT 實(shí)際上彈簧剛度就是

16、實(shí)際上彈簧剛度就是彈簧特性曲線彈簧特性曲線上某點(diǎn)的上某點(diǎn)的斜率斜率。Chapter 20 Design of Springs29直線型彈簧直線型彈簧剛度為一常數(shù)。特性曲線越陡，彈簧剛剛度為一常數(shù)。特性曲線越陡，彈簧剛度相應(yīng)愈大，即彈簧愈硬；反之則愈軟。度相應(yīng)愈大，即彈簧愈硬；反之則愈軟。剛度漸增型彈簧剛度漸增型彈簧隨變形量的增大其剛度越大。如車隨變形量的增大其剛度越大。如車輛緩沖減振彈簧，希望在車輛重載與輕載時，均具有差輛緩沖減振彈簧，希望在車輛重載與輕載時，均具有差不多的自振頻率；且在最大或沖擊載荷作用時，仍具有不多的自振頻率；且在最大或沖擊載荷作用時，仍具有較好的緩沖減振性能，故多使用彈簧

17、特性曲線具有該型較好的緩沖減振性能，故多使用彈簧特性曲線具有該型曲線的走向。曲線的走向。Chapter 20 Design of Springs30彈簧可以按剛度分為彈簧可以按剛度分為定剛度彈簧定剛度彈簧（直線型特性線）和（直線型特性線）和變剛變剛度彈簧度彈簧（曲線或折線型特性線），受動載荷或沖擊載荷作（曲線或折線型特性線），受動載荷或沖擊載荷作用的彈簧往往設(shè)計成變剛度彈簧。用的彈簧往往設(shè)計成變剛度彈簧。 剛度漸減型彈簧剛度漸減型彈簧剛度隨剛度隨變形的增大而越小。為了在變形的增大而越小。為了在沖擊動能一定時，獲得較小沖擊動能一定時，獲得較小沖擊力，則應(yīng)使用具有剛度沖擊力，則應(yīng)使用具有剛度漸減型

18、特性曲線的彈簧為宜。漸減型特性曲線的彈簧為宜。Chapter 20 Design of Springs3120.4 Design for Cylindrical Helical Compression and Tension Springs 圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設(shè)計圓柱螺旋壓縮和拉伸彈簧的設(shè)計20.4.1 Parameters and Geometric Dimensions of a Cylindrical Spring 圓柱彈簧的參數(shù)及幾何尺寸圓柱彈簧的參數(shù)及幾何尺寸 圓柱彈簧的主要尺寸圓柱彈簧的主要尺寸DD2dtH0D1 DD2dtH0D1 彈簧絲直徑彈簧絲直徑(wire dia.)

19、, d彈簧圈外徑彈簧圈外徑(outside dia.), D彈簧圈內(nèi)徑彈簧圈內(nèi)徑(inside dia.), D1彈簧圈中徑彈簧圈中徑(mean dia.), D2節(jié)距節(jié)距(pitch), t螺旋升角螺旋升角(pitch angle), 自由長度自由長度(free length), H0Chapter 20 Design of Springs32(或稱或稱), C=D2/d 是最重要是最重要的參數(shù)之一。彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈的參數(shù)之一。彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。常

20、用彈簧指數(shù)的選取參見表常用彈簧指數(shù)的選取參見表20.4。CdD 2 dCdDD121 dCdDD12 彈簧絲直徑彈簧絲直徑d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846彈簧的中徑、內(nèi)徑和外徑可用彈簧指數(shù)彈簧的中徑、內(nèi)徑和外徑可用彈簧指數(shù)C表示：表示：Chapter 20 Design of Springs33(1) Plain ends coiled right-hand. Plain end, right hand. Both ends plain. The ends are the same as if a long spring had

21、been cut into sections.Chapter 20 Design of Springs34Plain ends ground.Both ends plain.Squared or closed ends, not ground. (端部并緊不磨平端部并緊不磨平)Both ends squared.Chapter 20 Design of Springs35Both ends squared and ground.The end turns are squared and then ground perpendicular to the helix axis. Both ends

22、 plain.Chapter 20 Design of Springs36彈簧圈數(shù)彈簧圈數(shù)(number of coils)彈簧兩端與彈簧座相接觸的部分，不彈簧兩端與彈簧座相接觸的部分，不參加彈簧變形，其參加彈簧變形，其。, 兩端死圈各有兩端死圈各有，具體與端部，具體與端部形式有關(guān)，一般形式有關(guān)，一般。Chapter 20 Design of Springs37兩種常用端部形式兩種常用端部形式GB(Both ends closed and ground)(closed ends, not ground)重要場合應(yīng)采用并緊磨平端。死圈的磨平長重要場合應(yīng)采用并緊磨平端。死圈的磨平長度應(yīng)不小于度應(yīng)不

23、小于1/4圈，圈，。Chapter 20 Design of Springs38 彈簧工作圈數(shù)彈簧工作圈數(shù)有效圈數(shù)有效圈數(shù)(number of active coils)為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常彈簧的有效圈數(shù)彈簧的有效圈數(shù)。 彈簧總?cè)?shù)彈簧總?cè)?shù)(total number of coils) 總?cè)?shù)的總?cè)?shù)的宜取宜取1/4、。)25. 175. 0(220 nnnn與與間的關(guān)系間的關(guān)系與端部形式有關(guān)與端部形式有關(guān) Chapter 20 Design of Springs39DD2dtH0D1 彈簧節(jié)距彈簧節(jié)距(pitch) 按下式取按下式取 ndtmax

24、 max彈簧的最大變形量；彈簧的最大變形量； 最大變形時相鄰兩彈簧絲間的最大變形時相鄰兩彈簧絲間的最小距離，一般不小于最小距離，一般不小于0.1d。彈簧鋼絲間距彈簧鋼絲間距(coil clearance or space between adjacent coils) dt Chapter 20 Design of Springs40DD2dtH0D1 彈簧的彈簧的() dnntdnnntdnnH)5 . 02()5 . 0(5 . 0000 dnntdnnntdnnH)12()1(1000 Both ends closed and ground兩端并緊磨平兩端并緊磨平Closed ends,

25、 not ground兩端并緊不磨平兩端并緊不磨平彈簧螺旋升角彈簧螺旋升角() 21tanDt 通常取通常取 =59 cos02nDL Chapter 20 Design of Springs41Chapter 20 Design of Springs42Chapter 20 Design of Springs43dt Pitch hooks of dim Length Free0 ndHDD2dtH0D1 n20時，一般圓整為整圈數(shù)；時，一般圓整為整圈數(shù)；nFcr，應(yīng)重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變，應(yīng)重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變b值，提高值，提高Fcr的大的大小，使其大于小，使其大于Fmax之值，以保證彈

26、簧的穩(wěn)定性。之值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。若受結(jié)構(gòu)限制而不能改變?nèi)羰芙Y(jié)構(gòu)限制而不能改變參數(shù)時，就應(yīng)該加裝參數(shù)時，就應(yīng)該加裝，以免彈簧受載時，以免彈簧受載時產(chǎn)生側(cè)向彎曲。為了防止產(chǎn)生側(cè)向彎曲。為了防止彈簧工作時簧絲與導(dǎo)桿或彈簧工作時簧絲與導(dǎo)桿或?qū)桩a(chǎn)生摩擦，導(dǎo)套產(chǎn)生摩擦，。 Chapter 20 Design of Springs5220.5 Fatigue Strength Checking Computation of Springs with Fluctuating Loads 受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算受變載荷螺旋彈簧的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算對于循環(huán)次數(shù)較多、工作在變應(yīng)力下的重要彈簧，還應(yīng)對于循環(huán)

27、次數(shù)較多、工作在變應(yīng)力下的重要彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對該進(jìn)一步對進(jìn)行驗(yàn)算。進(jìn)行驗(yàn)算。如果變應(yīng)力的如果變應(yīng)力的N103，或，或不大時，不大時，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算。如果上述兩種情況不能明確區(qū)分時，則應(yīng)同時進(jìn)行這兩如果上述兩種情況不能明確區(qū)分時，則應(yīng)同時進(jìn)行這兩種強(qiáng)度的驗(yàn)算。種強(qiáng)度的驗(yàn)算。 Chapter 20 Design of Springs53 設(shè)計一圓柱螺旋壓縮彈簧。已知：彈簧外徑設(shè)計一圓柱螺旋壓縮彈簧。已知：彈簧外徑D 15mm，工，工作時最大載荷為作時最大載荷為220N，最小載荷為，最小載荷為150N，要求彈簧工作，要求彈簧工作行程為行程為5mm，類彈簧，兩端固定支承。類彈簧，兩端固定支

28、承。選擇彈簧材料及許用應(yīng)力選擇彈簧材料及許用應(yīng)力Solution因本彈簧在一般載荷下工作，按因本彈簧在一般載荷下工作，按來考慮，選擇來考慮，選擇。初估彈簧絲直徑為。初估彈簧絲直徑為mm左右。查左右。查表表20.2和表和表20.3可知，可知， T=0.5 B， B=1660MPa。 71057057045534065Mn B、C、D級級206800.8 B(0.60.68) B0.5 B(0.380.45) B(0.30.38) B碳素彈簧鋼絲碳素彈簧鋼絲B、C、D級級鋼鋼絲絲類類彈簧彈簧類彈簧類彈簧類類彈簧彈簧類類彈簧彈簧類彈簧類彈簧彈性彈性模量模量E/GPa切變切變模量模量G/GPa許用彎曲

29、應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力 b/MPa許用切應(yīng)力許用切應(yīng)力 T/ MPa代代 號號類類別別MPa83016675 . 05 . 0 BT 1810166014202.2DCB級別級別鋼絲直徑鋼絲直徑d/mmChapter 20 Design of Springs54計算彈簧絲直徑計算彈簧絲直徑 按表按表20.4選取選取 彈簧絲直徑彈簧絲直徑d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846279. 145 . 5415 . 545 . 5615. 04414615. 0 CCCKmm18. 25 .8335 . 5279. 12206 . 16 . 1max

30、 TKCFd 與初估彈簧絲直徑相近，故取標(biāo)準(zhǔn)值與初估彈簧絲直徑相近，故取標(biāo)準(zhǔn)值 d=2.2mm。mm1 .122 . 25 . 52 CdDmm15mm3 .142 . 21 .122 dDD符合題意要求。符合題意要求。Chapter 20 Design of Springs55計算彈簧的有效工作圈數(shù)計算彈簧的有效工作圈數(shù) 查表查表20.2得得G=80000MPa 445. 91502201 .12852 . 280000834324 FDGdn 取彈簧工作圈取彈簧工作圈數(shù)為數(shù)為圈。圈。驗(yàn)算載荷與變形驗(yàn)算載荷與變形 mm3 .112 . 280000101 .121508843432minmin GdnDF mm6 .162 . 280000101 .122208843432maxmax GdnDF mm3 . 53 .116 .16minmax0 實(shí)際工作行程實(shí)際工作行程 Chapter 20 Design of Springs56表表20.2附注，附注， 類彈簧類彈簧 lim1.12 T。取取 MPa6 .92983012. 112.