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120.1 Types and Functions of Springs 弹簧的类型及功用20.1.1 Classification of Springs 弹簧的分类螺旋弹簧(helical spring)碟形弹簧(coned-disk spring or Belleville spring)，环形弹簧(ring spring)板簧(plate or flat spring,cantilever悬臂 spring or leaf spring)涡卷形弹簧(spiral spring)按所承受载荷性质拉伸弹簧(tension spring)压缩弹簧(compression spring)扭转弹簧(torsion spring)弯曲弹簧(bending spring)按弹簧形状A spring is a flexible element used to exert a force or a torque and,at the same time,to store energy.第1页/共60页2表20.1 金属弹簧的基本型式第2页/共60页3第3页/共60页4第4页/共60页5第5页/共60页6第6页/共60页7第7页/共60页8第8页/共60页9Helical Helical SpringsSprings(螺旋弹簧)用弹簧丝卷绕制成；制造简便，价格较低，易于检测和安装，应用最广。可以制成螺旋拉伸弹簧(helical tension spring)螺旋压缩弹簧(helical compression spring)螺旋扭转弹簧(helical torsion spring)第9页/共60页10Variations of helical compression springs:Variations of helical compression springs:Constant pitch(cylindrical),Conical,Barrel,Hourglass,Variable pitchHelix DirectionHelix DirectionRight hand，Left hand ConicalConstant pitchBarrelHourglass第10页/共60页11Shapes of Spring Wires(Shapes of Spring Wires(弹簧丝的形状)round wire,rectangular wire第11页/共60页12Coned-disk Coned-disk SpringsSprings（碟形弹簧）可以承受很大的冲击载荷，具有良好的吸振能力，常用作缓冲减振弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。第12页/共60页13Ring Ring SpringsSprings(环形弹簧)是目前减振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中的缓冲零件。第13页/共60页14Spiral Spiral SpringsSprings(涡卷形弹簧)具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表的动力装置。Flat Springs(板簧)能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。第14页/共60页1520.1.2 Functions of Springs 弹簧的功用(1)控制机械的运动(2)吸收振动和冲击能量如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧；如各种车辆中的减振弹簧及各种缓冲器的弹簧等；第15页/共60页16(3)存储和释放能量(4)测量力的大小例如钟表弹簧、枪栓弹簧等；如弹簧秤和测力器中的弹簧等。定力矩扳手测力矩扳手第16页/共60页1720.2 Materials and Manufacture of Springs 弹簧的材料和制造材料要求除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。主要弹簧材料及其使用性能表20.2 许用应力与许用应力与 B B有关有关实践中应用最广泛的材料弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限,B B表20.3 与弹簧丝直径与弹簧丝直径d d有关有关 20.2.1 Spring Materials 弹簧材料第17页/共60页1871057057045534065Mn B、C、D级206800.8B(0.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素弹簧钢丝B、C、D级钢丝类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧弹性模量E/GPa切变模量G/GPa许用弯曲应力b/MPa许用切应力T/MPa代 号类别1)按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：类N106；类N=103105以及受冲击载荷的场合；类N8mm)。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。第22页/共60页23弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大的程度上取决于弹簧的表面状况，所以，弹簧丝(spring wire)表面必须光洁，没有裂缝和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性能，因此，脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收弹簧的技术条件中详细规定。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。第23页/共60页24为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理(受载648h)，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力比未经强压处理的弹簧小。一般经过一次强压处理的弹簧可提高其承载能力约25%；若经喷丸处理可提高20%。须注意，强压处理是弹簧制造的最后一道工序。为了保持有益的残余应力，强压处理后不应作其它热处理。而且经强压处理的弹簧也不宜工作在较高温度（150450C）、长期振动和有腐蚀性介质的场合。第24页/共60页2520.3 Working Principle of Springs 弹簧的工作原理弹弹簧簧特特性性曲曲线线(Load-deflection(Load-deflection Curve)Curve)表征弹簧载荷与其变形之间关系的曲线受压或受拉的弹簧受压或受拉的弹簧载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；受扭转的弹簧受扭转的弹簧载荷是指扭矩，变形是指扭角。20.3.1 Characteristic Curve of a Spring 弹簧特性曲线第25页/共60页26弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与变形关系的分析。按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有四种。第26页/共60页2720.3.2 Stiffness of Springs 弹簧刚度弹簧刚度(spring spring raterate,force/unit force/unit deflectiondeflection)是指使弹簧产生单位变形的载荷，用k和kT分别表示拉(压)弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度。对于拉压弹簧 对于扭转弹簧实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率。第27页/共60页28直线型弹簧刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。刚度渐增型弹簧随变形量的增大其刚度越大。如车辆缓冲减振弹簧，希望在车辆重载与轻载时，均具有差不多的自振频率；且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。第28页/共60页29弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧（直线型特性线）和变刚度弹簧（曲线或折线型特性线），受动载荷或冲击载荷作用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。刚度渐减型弹簧刚度随变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。第29页/共60页3020.4 Design for Cylindrical Helical Compression and Tension Springs 圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的设计20.4.1 Parameters and Geometric Dimensions of a Cylindrical Spring 圆柱弹簧的参数及几何尺寸 圆柱弹簧的主要尺寸DD2dtH0D1DD2dtH0D1弹簧丝直径(wire dia.),d弹簧圈外径(outside dia.),D弹簧圈内径(inside dia.),D1弹簧圈中径(mean dia.),D2节距(pitch),t螺旋升角(pitch angle),自由长度(free length),H0第30页/共60页31旋旋绕绕比比(或称弹弹簧簧指指数数spring spring indexindex),C=D2/d 是最重要的参数之一。弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表20.4。弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846弹簧的中径、内径和外径可用弹簧指数C表示：第31页/共60页32A variety of end treatments or A variety of end treatments or Types of endsTypes of endsCylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs Springs(1)Plain ends coiled right-hand.Plain end,right hand.Both ends plain.The ends are the same as if a long spring had been cut into sections.第32页/共60页33Plain ends ground.A variety of end treatments or A variety of end treatments or Types of endsTypes of endsCylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs SpringsBoth ends plain.The The end end coils coils are are deformed deformed to a zero-degree helix angle.to a zero-degree helix angle.The The end end coil coil is is collapsed collapsed against against the the adjacent adjacent coil coil(squared).(squared).Squared or closed ends,not ground.(端部并紧不磨平)Both ends squared.第33页/共60页34Squared and ground ends.Squared and ground ends.Both ends squared and ground.The end turns are squared and then ground perpendicular to the helix axis.A variety of end treatments or A variety of end treatments or Types of endsTypes of endsCylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs SpringsBoth ends plain.Closed and Closed and ground ends.ground ends.端部并紧磨平端部并紧磨平第34页/共60页35弹簧圈数(number of coils)Cylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs Springs弹簧两端与弹簧座相接触的部分，不参加弹簧变形，其端部应垂直于弹簧轴线端部应垂直于弹簧轴线。支承圈支承圈(bearing coils)(bearing coils)n n 死圈死圈(dead(dead turns)turns),inactive end coilsinactive end coils两端死圈各有n n=3/4(0.75)3/4(0.75)5/4(1.25)5/4(1.25)圈圈，具体与端部形式有关，一般n n=(0.75(0.75，1 1，1.25)1.25)圈圈。第35页/共60页36Cylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs Springs两种常用端部形式GB 两端并紧并磨平两端并紧并磨平 (Both ends closed and ground)两端并紧不磨平两端并紧不磨平 (closed ends,not ground)重要场合应采用并紧磨平端。死圈的磨平长度应不小于1/4圈，末端厚度应末端厚度应 0.25d0.25d。第36页/共60页37Cylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs Springs弹簧工作圈数n n 有效圈数(number of active coils)为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为最少为2 2圈圈。弹簧总圈数(total number of coils)n n0 0总圈数的尾数尾数宜取1/4、1/21/2或整圈数或整圈数。n n0 0与n n、n n 间的关系与端部形式有关 第37页/共60页38Cylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs SpringsDD2dtH0D1弹簧节距(pitch)t t 按下式取 max弹簧的最大变形量；最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。弹簧钢丝间距(coil clearance or space between adjacent coils)第38页/共60页39Cylindrical Helical Cylindrical Helical CompressionCompression Springs SpringsDD2dtH0D1弹簧的自由长度自由长度(free lengthfree length)Both ends closed and ground两端并紧磨平Closed ends,not ground两端并紧不磨平弹簧螺旋升角(pitch anglepitch angle)通常取=59 弹簧丝材料的长度弹簧丝材料的长度(entire lengthentire length)第39页/共60页40Cylindrical Helical Cylindrical Helical TensionTension Springs SpringsThe shape of the hooks or The shape of the hooks or end turnsend turns第40页/共60页41Cylindrical Helical Cylindrical Helical TensionTension Springs SpringsThe shape of the hooks or The shape of the hooks or end turnsend turns第41页/共60页42DD2dtH0D1n20时，一般圆整为整圈数；nFcr，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改变参数时，就应该加装导导杆杆或或导导套套，以免弹簧受载时产生侧向弯曲。为了防止弹簧工作时簧丝与导杆或导套产生摩擦，导导杆杆或或导导套套与与簧簧丝丝间间应应留留有有间间隙隙。第50页/共60页5120.5 Fatigue Strength Checking Computation of Springs with Fluctuating Loads 受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算1.对于循环次数较多、工作在变应力下的重要弹簧，还应该进一步对疲劳强度疲劳强度进行验算。2.如果变应力的循循环环次次数数N103，或应应力力变变化化幅幅度度不大时，应进行静强度静强度验算。3.如果上述两种情况不能明确区分时，则应同时进行这两种强度的验算。第51页/共60页52Example Example 20.120.1 设计一圆柱螺旋压缩弹簧。已知：弹簧外径D15mm，工作时最大载荷为220N，最小载荷为150N，要求弹簧工作行程为5mm，类弹簧，两端固定支承。(1)选择弹簧材料及许用应力Solution因本弹簧在一般载荷下工作，按第第类类弹弹簧簧来考虑，选择C C级级碳碳素素弹弹簧簧钢钢丝丝。初估弹簧丝直径为d=2.2d=2.2mm左右。查表20.2和表20.3可知，T=0.5B，B=1660MPa。71057057045534065Mn B、C、D级206800.8B(0.60.68)B0.5B(0.380.45)B(0.30.38)B碳素弹簧钢丝B、C、D级钢丝类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧弹性模量E/GPa切变模量G/GPa许用弯曲应力b/MPa许用切应力T/MPa代 号类别1810166014202.2DCB级别钢丝直径d/mm第52页/共60页53(2)计算弹簧丝直径 按表20.4选取C C=5.5=5.5 弹簧丝直径弹簧丝直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161840C7145125104104846与初估弹簧丝直径相近，故取标准值 d=2.2mm。符合题意要求。第53页/共60页54(3)计算弹簧的有效工作圈数 查表20.2得G=80000MPa 取弹簧工作圈数为n n=10=10圈。(4)验算载荷与变形 实际工作行程 第54页/共60页55表20.2附注，类弹簧lim1.12T。取(4)验算载荷与变形 计算极限载荷 与之对应的变形量为(5)计算弹簧其余几何尺寸 第55页/共60页56(5)计算弹簧其余几何尺寸 两端支承圈各取为n n=1=1，即总圈数为n n0 0=n+2n=1212两端并紧磨平(6)稳定性计算 满足稳定性要求(两端固定支承)。(7)绘制弹簧工作图 第56页/共60页57H0DdD2ttt/2tt/2t展开长度展开长度L旋向旋向右旋右旋有效圈数有效圈数10总圈数总圈数12尺寸公差形位公差表面粗糙度技术要求热处理等minmaxlimFminFmaxFlim第57页/共60页58本章学习要点本章学习要点1.弹簧的类型、结构特点及适用场合；2.弹簧参数及其对弹簧性能的影响；3.圆柱螺旋压缩弹簧设计的基本理论与方法。第58页/共60页59Exercises(see p428p428 in Machine Design)20.120.1 一类圆柱压缩螺旋弹簧，材料为碳素弹簧钢丝，中径D2=26.5mm，簧丝直径d=3.5mm，总圈数为10圈，支承圈数为2圈，试求该弹簧所能承受的最大工作载荷F2和相应的变形量2。注表20.3按C级确定B第59页/共60页60感谢您的观赏！第60页/共60页
