第18章弹 §18-1弹簧的功用和类型 §18-2圆栏螺旋拉仲、压縮弹篑的应力与变形 §18-3弹簧的制造、材料和许用应力 §18-4圆栏螺旋拉伸、压縮弹篑的设计 §18-5其他弹篑简介 HIGH EDUCATION PRESS
第18章 弹 簧 §18-1 弹簧的功用和类型 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 §18-5 其他弹簧简介 §18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计
§18-1弹簧的功用和类型 工作特点: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 功用: 1.控制机构运动或零件的位置;如凸轮机构、离合器、阀等 2.缓冲吸振;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧; 3.存储能量;如钟表仪器中的弹簧; 4.测量力的大小。如弹簧秤中的弹簧 类型: 圆柱形 螺旋 按形状分截锥形 拉伸弹簧 弹簧L按受载分压缔弹簧 分类 扭转弹簧
工作特点：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。 功用： 1. 控制机构运动或零件的位置; 如凸轮机构、离合器、阀门等； §18-1 弹簧的功用和类型 3. 存储能量; 如钟表仪器中的弹簧； 4. 测量力的大小 。如弹簧秤中的弹簧 螺旋 弹簧 圆柱形 按形状分 截锥形 按受载分 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 类型： 分类 2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；
圆柱形 按形状分截锥形本章内容 螺旋弹簧 拉伸弹簧 环形弹簧(按受载分1压缩弹簧 分类碟形弹簧 扭转弹簧 平面涡圈弹簧仪表中储能用 板弹簧
本章内容 分类 螺旋弹簧 圆柱形 按形状分 截锥形 按受载分 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 环形弹簧 平面涡圈弹簧仪表中储能用 板弹簧 碟形弹簧
§18-2圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 弹簧的应力 剪切力:F 已知条件如图。截面受力:扭矩:7 FD 2 T FD 22=5 8FD 4F 剪切应力:【=W=m 剪切应力 D T=T+7 8FD, 4F 8FD21+an 2D F 弹簧轴线 D22 F
设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 = + 2 3 2 2 1 8 D d d FD T 一、弹簧的应力 已知条件如图。 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 D2 T α F F = 2 FD2 T F 扭矩： 剪切力： 截面受力： 剪切应力： 剪切应力： 2 4 " d F = 3 2 2 8 4 ' " d F d FD = + = + F F WT T ' = 16 2 3 2 d F D = 3 8 2 d FD = τ’ D2 /2 弹 簧 轴 线 D2 /2 弹 簧 轴 线 τ” F τ” τ’ τ D2 /2 弹 簧 轴 线
截面总切应力:r 8FO 0.5 C--旋绕比,或弹簧指数。 强度条件:=K8FC[设计公式:一=16K 其中K=4C_x 0.615 4C-4 --弹簧的曲度系数 K其实质是一个修正系数,其值可直接查表下表可得 1.6 l.5 1.3 1.l 3456789101214161820 曲度系数C=D2/2
设计：潘存云 设计：潘存云 C=D2 曲度系数 /2 K 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 C----旋绕比，或弹簧指数。 ----弹簧的曲度系数 强度条件： d D C 2 令 = = + d C FC 0.5 1 8 2 [ ] 8 2 = d FC K 截面总切应力： τ” τ’ τ 未考虑簧丝 曲率的应力 τ” τ’ τ C C C K 0.615 4 4 4 1 + − − 其中 = 设计公式： [ ] 1.6 KFC d = 其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得 C C C 0.615 4 4 4 1 + − − 精确分析可得如下公式：
弹簧的变形在轴向载荷的作用下,弹簧产生轴向变形,取微段分析 微段轴向变形量dd2D2~8FD2bs 根据材料力学有关圆柱 螺旋弹簣变形的计算公 2 材料的切变模量: 钢:G=8×104Mpa,青铜:G=4×104Mpa 8HD =|a 8FDn 8FCn Gd Gd n为有效圈数 d D F Gd4 Gd O n 8D'n 8Cn C↓→k↑ C值过小→制造困难,内侧应力个; C值过大→弹簣容易颤动。取值范围:C=4~16
设计：潘存云 设计：潘存云 二、弹簧的变形 dφ = = t t ds G d FD d 0 0 4 2 8 2 4 3 8 2 Gd FD n = F k = 在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形λ，取微段分析 微段轴向变形量dλ： C↓ → k↑ C值过小→ 制造困难，内侧应力↑； C值过大→ 弹簧容易颤动。取值范围：C=4~16 dλ D2 F λ F 4 2 2 8 G d FD ds d = D d 2 2 = Gd FC n 3 8 = D n Gd 3 2 4 8 = C n Gd 3 8 = n为有效圈数 钢：G=8×104 Mpa, 青铜：G=4×104 Mpa G--材料的切变模量： 根据材料力学有关圆柱 螺旋弹簧变形的计算公式 T T O’ O
§18-3弹簧的制造、材料和许用应力 弹簧的制造 制造过程:卷绕、端面加 工(压簧减拉钩制作(拉 簣或扭簧)、热处理和工 艺性试验。 冷卷:d<10mm→低温回火,消除应力 热卷:d≥10mm→淬火、回火 经强压处理可提高承载能力 强压处理:将弹簧预先压缩到超过材料的屈 服极限,并保持一定时间后卸载,使簣丝表面 弹簧的材料 层产生与工作应力相反的残余应力,受载时可 抵消一部分工作应力。 要求:高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、 塑性和良好的热处理性能。 材料:优质碳素弹簣钢、合金弹簧钢、有色金属合金
设计：潘存云 一、弹簧的制造 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 二、弹簧的材料 制造过程：卷绕、端面加 工(压簧)或拉钩制作（拉 簧或扭簧）、热处理和工 艺性试验。 冷卷：d<10 mm 热卷：d≥ 10 mm → 低温回火，消除应力 → 淬火、回火 经强压处理可提高承载能力。 强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈 服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面 层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可 抵消一部分工作应力。 要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、 塑性和良好的热处理性能。 材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金
碳素弹簧钢:含碳量在0.6~0.9%之间,如65、70、85 优点:容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强 度,适宜的韧性和塑性 缺点:当d>12mm,不易淬透,故仅适用于小尺寸的 弹簧。 合金弹簧钢:硅锰钢、铬钒钢。 优点:适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。 有色金属合金:硅青铜、锡青铜、铍青铜。 选用原则: 充分考虑载荷条件(载荷的大小及性质、工作温度和 周围介质的情况)、功用及经济性等因素。一般应优 先采用碳素碳簧钢丝
碳素弹簧钢：含碳量在0.6~0.9%之间，如65、70、85 合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。 有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强 度，适宜的韧性和塑性。 缺点：当d>12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。 优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。 选用原则： 充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和 周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优 先采用碳素碳簧钢丝
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: I类弹簧:受变载荷作用次数>106,或很重要的弹簧。 I类弹簧:受变载荷作用次数在103~105,或受冲击 载荷的弹簣,或受静载荷的重要弹簧。 Ⅲ类弹簧:受变载荷作用次数在<103,或受静载荷的 弹簧
三、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： I类弹簧： 受变载荷作用次数>106 ，或很重要的弹簧。 II类弹簧：受变载荷作用次数在103 ~ 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。 III类弹簧：受变载荷作用次数在<103 ，或受静载荷的 弹簧
表181螺旋弹簧的常用材料和许用应力 材料 许用切应力/MPa 名称 牌号[类弹簧∏类弹簧Ⅲ类弹簧使用推荐硬度特性及用途 温度℃范围 τu T 碳素弹簧 强度高,性能好, 钢丝I,65、700.380.48 0 40~120 但尺寸大了不易淬 Ⅱ,,Ⅳ 透,只适用于小弹 簧 弹性和回火稳定性 60SiMn480640 800-40-2004550HRC好,易脱碳。用于 制造受重载的弹簧 有高的疲劳极限, 合金弹50CrVA45060075040-2104550HRC 弹性、淬透性和回 簧钢丝 火稳定性好,常用 于承受变载的弹簧 耐腐蚀,耐高温 4Cr13450600 50-403004853HRC适用于做较大的 弹簧 青铜丝Qs31270360450 40-1200-100HBS耐腐蚀,防磁好 QSn4-3270360 450
表18—1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力 材 料 名 称 牌号 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 碳素弹簧 钢丝Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 60Si1Mn 480 640 800 –40~200 45~50HRC 合金弹 簧钢丝 Ⅰ类弹簧 [τI ] 青铜丝 Ⅱ类弹簧 [τII] Ⅲ类弹簧 [τIII] 推荐使用 温度℃ 推荐硬度 范围 特性及用途 强度高，性能好， 但尺寸大了不易淬 透，只适用于小弹 簧。 50CrVA 450 600 750 –40~210 45~50HRC 4Cr13 450 600 750 –40~300 48~53HRC QSi3-1 270 360 450 QSn4-3 270 360 450 –40~120 90~100HBS 弹性和回火稳定性 好，易脱碳，用于 制造受重载的弹簧。 有高的疲劳极限， 弹性、淬透性和回 火稳定性好，常用 于承受变载的弹簧 耐腐蚀，耐高温， 适用于做较大的 弹簧 耐腐蚀，防磁好 许用切应力/ MPa