第14章機(jī)械設(shè)計(jì)彈簧素材

第14章彈簧§14-1彈簧概述§14-2圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造、材料及許用應(yīng)力§14-3圓柱螺旋拉壓彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算工作特點(diǎn)：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形，在機(jī)械設(shè)備中被廣泛用作彈性元件。功用：1.限制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或零件的位置;如凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門等；§14-1彈簧的功用和類型3.

存儲(chǔ)能量;如鐘表儀器中的彈簧；4.

測量力的大??；如彈簧秤中的彈簧螺旋彈簧圓柱形截錐形按形態(tài)分按受載分拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧5.變更系統(tǒng)的自振頻率。分類2.

緩沖吸振;如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；本章內(nèi)容分類螺旋彈簧圓柱形截錐形按形態(tài)分按受載分拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧環(huán)形彈簧平面渦圈彈簧儀表中儲(chǔ)能用板彈簧碟形彈簧潘存云教授研制潘存云教授研制§14-2圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造方法、材料及許用應(yīng)力一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)形式壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有確定間距δ。潘存云教授研制δ支承圈或死圈——兩端有3/4~5/4圈并緊，以使彈簧站立平直，這部分不參與變形。不磨平磨平端部磨平——重要彈簧端部不磨平——

一般用途磨平長度不小于3/4圈，端部厚度近似為d/4d/4壓縮彈簧的總?cè)?shù)：n1=n+(1.5~2.5)為使工作平穩(wěn)，n1的尾數(shù)取1/2變形用n為有效圈數(shù)圓柱螺旋壓縮彈簧潘存云教授研制拉伸彈簧（1）各圈相互并緊δ=0；（2）制作完成后具有初拉力；（3）端部做有拉鉤，以便安裝和加載。拉鉤形式：半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、轉(zhuǎn)鉤、可調(diào)轉(zhuǎn)鉤。潘存云教授研制改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算與壓縮彈簧相同。潘存云教授研制特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡潔、制造簡潔、但彎曲應(yīng)力大。應(yīng)用于中小載荷與不重要的場合。特點(diǎn)：彎曲應(yīng)力小。適用于變載荷的場，但成本較高。二、彈簧的制造制造過程：卷繞、端面加工(壓簧)或拉鉤制作（拉簧或扭簧）、熱處理和工藝性試驗(yàn)。潘存云教授研制冷卷：d<10mm熱卷：d≥10mm，卷制溫度：800~1000℃

低溫回火，消退應(yīng)力

淬火、回火經(jīng)強(qiáng)壓處理可提高承載實(shí)力強(qiáng)壓處理：將彈簧預(yù)先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持確定時(shí)間后卸載，使簧絲表面層產(chǎn)生與工作應(yīng)力相反的殘余應(yīng)力，受載時(shí)可抵消一部分工作應(yīng)力?！鴮?duì)于重要壓縮彈簧，為了保證承載面與軸線垂直，端部應(yīng)磨平▲拉伸彈簧，為了便于聯(lián)接與加載，兩端制有拉構(gòu)，工藝試驗(yàn)包括：耐沖擊、疲憊等試驗(yàn)三、彈簧的材料及許用應(yīng)力要求：高的彈性極限、疲憊極限、確定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能。材料：優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、有色金屬合金。彈簧的材料碳素彈簧鋼：含碳量在0.6%

~0.9%之間，如65、70、85合金彈簧鋼：硅錳鋼、鉻釩鋼。有色金屬合金：硅青銅、錫青銅、鈹青銅。優(yōu)點(diǎn)：簡潔獲得、價(jià)格便宜、熱處理后具有較高的強(qiáng)度，適宜的韌性和塑性。缺點(diǎn)：當(dāng)d>12mm，不易淬透，故僅適用于小尺寸的彈簧。優(yōu)點(diǎn)：適用于承受變載荷、沖擊載荷或工作溫度較高的彈簧。選用原則：充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質(zhì)、工作溫度和四周介質(zhì)的狀況）、功用及經(jīng)濟(jì)性等因素。一般應(yīng)優(yōu)先接受碳素碳簧鋼絲。彈簧的許用應(yīng)力彈簧的許用應(yīng)力主要取決材料品質(zhì)、熱處理方法、載荷性質(zhì)、彈簧的工作條件和重要程度，以及簧絲的尺寸等彈簧按載荷分為三類：I類彈簧：

受變載荷作用次數(shù)>106，或很重要的彈簧。II類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103~105

，或受沖擊載荷的彈簧，或受靜載荷的重要彈簧。III類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在<103

，或受靜載荷的彈簧。潘存云教授研制表14-1螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力材料名稱牌號(hào)65、700.3σB0.4σB0.5σB–40~120

碳素彈簧鋼絲Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ

60Si1Mn480640800–40~200

45~50HRC合金彈簧鋼絲Ⅰ類彈簧[τI]青銅絲Ⅱ類彈簧[τII]Ⅲ類彈簧[τIII]推薦使用溫度/℃

推薦硬度范圍特性及用途強(qiáng)度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只適用于小彈簧50CrVA450600750–40~210

45~50HRC4C40~300

48~53HRCQSi3-1270360450QSn4-3270360450–40~120

90~100HBS彈性和回火穩(wěn)定性好，易脫碳，用于制造受重載的彈簧有高的疲勞極限，彈性、淬透性和回火穩(wěn)定性好，常用于承受變載的彈簧耐腐蝕，耐高溫，適用于做較大的彈簧耐腐蝕，防磁好許用切應(yīng)力/MPa潘存云教授研制組別III、IIaIII鋼絲直徑d/mm0.20.30.50.81.01.21.62.02.53.03.54.04.55.06.08.0270027002650260025002400220020001800170016501600150015001450—

22502250220021502050195018501800165016501550150014001400135012501750175017002170165015501450140013001300120011501150110013501250表14-2碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限節(jié)距：t=d

+δλmax

——最大變形量。F2為最大載荷通常t≈(0.3~0.5)D2,α=5?~9?間距:δ≥λmax0.8n螺旋升角：彈簧絲的綻開長度:πD2n1cosαL=tπD2α=tan-1自由高度:H0=nδ+(n1+1)d兩端并緊不磨平結(jié)構(gòu)：潘存云教授研制HsHsD2H0=nδ+(n1-0.5)d對(duì)于兩端并緊磨平結(jié)構(gòu)并緊高度：Hs=(n1+1)d(n1-0.5)d一、幾何尺寸計(jì)算λmaxF2潘存云教授研制αH0tδ§14-3拉伸(壓縮)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算表14-3

圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計(jì)算潘存云教授研制計(jì)算公式壓縮彈簧拉伸彈簧參數(shù)名稱及代號(hào)中徑D

D=Cd

取標(biāo)準(zhǔn)值壓縮彈簧廠細(xì)比b

b=H0/D2

b在1~5.3的范圍選取自由高度或長度H0有效圈數(shù)n備注Lh為鉤環(huán)展開長度兩端并緊，磨平；H0≈pn+(1.5~2)d兩端并緊，不磨平；H0≈pn+(3~3.5)dGd8(Fmax-F0)n=---------λmax

mm內(nèi)徑D1

D1=D-d

旋繞比C

C=D/d

外徑D2

D2=D+dH0

=nd+HhHn

=H0+λnHn

=H0+λn

λn——工作變形量n〉2有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧工作高度或長度H1H1······H1Gd8FmaxC3n=---------λmax

潘存云教授研制續(xù)表14-4圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計(jì)算計(jì)算公式壓縮彈簧拉伸彈簧參數(shù)名稱及代號(hào)總?cè)?shù)n1節(jié)距pp=(0.28~0.5)D

p=d

軸向間距δ

δ=p-d展開長度L螺旋角α

質(zhì)量ms備注拉伸彈簧n1尾數(shù)為1/4、1/2、3/4、整圈，推薦用1/2圈Lh為鉤環(huán)展開長度對(duì)壓縮螺旋彈簧，推薦用α=5?~9?

γ為材料的密度，對(duì)各種鋼，γ=7700kg/m3;對(duì)鈹青銅，γ=8100kg/m3n1=n冷卷：

n1=n+(2~2.5)YII型熱卷：

n1=n+(1.5~2)πDn1cosαL=-----α=tan-1(p/πD)

L≈πDn+Lh

πd24ms=----Lγ

mm二、彈簧的特性曲線特性曲線——

載荷-變形曲線壓縮彈簧的特性曲線Fλ壓縮彈簧的特性曲線F1F2潘存云教授研制Flimarctgk最小工作載荷:Fmin=（0.1~0.5）Fmax最大工作載荷——

Fmax在Fmax的作用下，τmax<[τ]彈簧在安裝位置所受壓力，它能使彈簧牢靠地穩(wěn)定在安裝位置上。極限載荷——

FlimλlimEλmaxλminλ0壓縮彈簧的特性曲線Fλ最小變形——

λmin對(duì)應(yīng)的變形——λmax極限變形——

λlim<0.8nδ

保證不并緊彈簧剛度彈簧勢能E

一般取Fmax

≤0.8FlimFminFmax潘存云教授研制FlimH0自由高度H1H2HlimFminFmaxFlim潘存云教授研制D2/2潘存云教授研制A—ABBM=Tsinα

F’故截面B—B上的載荷可近似取為：FFF“彈簧受軸向載荷F時(shí)，作用在軸向截面A—A上的有扭矩T=F·D2/2軸向力

F

在法面B—B上的力有橫向力F"軸向力F’彎矩M=Tsinα扭矩∵α=5?~9?

∴sinα≈0,cosα≈1扭矩T’=F·D2/2FT

d

B—BAA=Fcosα=FsinαTT’=Tcosα橫向力Fα三、彈簧受載時(shí)的應(yīng)力與變形簧絲受力分析αT’FT’=Tcosα

截面受力剪切應(yīng)力τT

彈簧的應(yīng)力扭切應(yīng)力T合成應(yīng)力FTτFD2/2彈簧軸線dD2/2彈簧軸線dF潘存云教授研制D2/2彈簧軸線dFTTτF

τF

τ∑

C——旋繞比，或彈簧指數(shù)。dτF

τF

τ∑

潘存云教授研制dKτT未考慮簧絲曲率的應(yīng)力由于0.5/C遠(yuǎn)小于1，故由F引起的剪切應(yīng)力可忽視。若考慮螺旋升角和簧絲曲率對(duì)應(yīng)力集中的影響，實(shí)際應(yīng)力分布與理論分析有差別。D(min)

0.2~0.40.45~11.1~2.22.5~67~1618~42C=D2/d

7~145~125~104~94~84~6表16-５常用旋繞比C

實(shí)踐證明，彈簧內(nèi)側(cè)m點(diǎn)最簡潔產(chǎn)生破壞。mm潘存云教授研制1.61.51.41.31.21.11.0C=D2/2曲度系數(shù)K3456782010121416918彈簧的曲度系數(shù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)公式其值可干脆查表下表可