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1、第16章 弹簧16.1 弹簧的功用和类型弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外载荷的大小而做相应的弹性变形、卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足其特殊要求的。 16.1.1 弹簧的功用弹簧的主要功用有：控制机构的运动或零件的位置，例如离合器、凸轮机构、阀门及调速器中的弹簧；缓冲及吸振，例如汽车、火车车厢下的减振弹簧，各种缓冲器中的弹簧；储存能量作为动力源，例如机械钟表、仪器、玩具等使用的发条、枪栓弹簧；测量力和力矩，例如弹簧秤、测力器中的弹簧等。16.1.2 弹簧的类型弹簧的种类很多，按其形状的不同可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、
2、平面涡卷弹簧和板弹簧等。如图16-1所示: 螺旋弹簧 环形弹簧碟形弹簧 平面涡卷弹簧 板弹簧图16-1按承受载荷的不同分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。如图16-2所示: 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧图16-216.2 弹簧的材料与制造16.2.1 弹簧的材料及许用应力工作性质和条件对弹簧材料的要求是多方面的。为保证弹簧的变形始终在弹性范围内， 弹簧材料必须具有较高的弹性极限；对于经常承受交变或冲击载荷的弹簧，其材料还应具有较高的疲劳极限和足够的韧性；为了便于弹簧的制造，材料还要具有良好的塑性和热处理性能等。弹簧的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。选择弹簧
3、材料时，应充分考虑弹簧的工作条件、功用、重要性和经济性等因素。碳素弹簧钢，如65、70、85钢等，其价格便宜，供应充足，热处理后具有较高的强度、适宜的韧性和塑性，故应用最广。但它的弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，不适合在高于120的温度下工作；弹簧钢丝直径大于12mm时，不易淬透，只适用于制造小尺寸的弹簧。合金弹簧钢，如硅锰钢和铬钒钢等，用于制作承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。有色金属合金，如硅青铜、锡青铜和铍青铜等，用于制作在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧。几种常用弹簧材料的性能见表16-1表16-1材料许用应力推荐使用温度（）推荐硬度范围特点及应用类别牌号碳素弹簧钢
4、B、C、D级0.3B0.4B0.5B-40120热处理后强度较高，但尺寸过大时，不易淬透，多用于制作小弹簧合金钢丝合金钢丝60Si2Mn480640800-402004550HRC4550HRC弹性和回火稳定性好，但易于脱碳，用于制造受重载的大弹簧50CrVA450600750-40210有高强度的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于制造受变载荷的弹簧60Si2CrVA570760950-402504752HRC强度高，弹性好，耐高温，适用于承受重载荷的弹簧不锈钢丝4Cr13450600750-403004853HRC耐腐蚀、耐高温，适用于受腐蚀介质影响的弹簧青铜丝QSi3_12703
5、60450-4012090100HRC耐腐蚀，防磁，适用于机械或仪表的弹簧QSn4_3270360450表16-2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度65，70钢钢丝直径d/mm1.01.52.02.53.03.64.04.55.05.66.07.0组25002200200018001700165016001500150014501450，a组205018501800165016501550150014001400135013501250组16501450140013001300120011501150110010501050100016.2.2 弹簧的制造螺旋弹簧的制造工艺包括卷绕、两端面加工(压缩弹簧
6、)或制作挂钩(拉伸弹簧和扭转弹簧)、热处理工艺实验，必要时还需进行强压处理或喷丸处理。 卷制是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万能自动卷簧机上卷制；单件小批生产时，则在普通车床上或在手动卷绕机上卷制。 弹簧的卷绕方法有冷卷和热卷两种。弹簧丝直径小于810 mm时用冷卷法，反之，则用热卷法。冷卷法是用已经过热处理的冷拉碳素弹簧钢丝在常温下卷绕，卷成后一般不再经淬火处理， 只经低温回火以消除内应力。热卷需先加热(通常为8001000，按弹簧丝直径大小选定)，卷成后再经淬火和回火处理。 为了提高弹簧的承载能力，在弹簧制成后，可再进行强压处理或喷丸处理等强化措施。强压处理是使弹
7、簧在超过极限载荷下受载648小时；喷丸处理是用一定的速度向弹簧喷射钢丸或铸铁丸。这两种强化处理都是使弹簧的表层产生塑性变形，保留有利的残余应力。由于残余应力的方向恰与工作应力相反，故在弹簧受载时可抵消部分工作应力。经强化处理的弹簧，不宜在较高温度(150450)和长期振动及有腐蚀介质的场合工作。 此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。需特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况。所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。 16.3 圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析下面讨论的是在类载荷 (
8、静载荷) 作用下弹簧的应力、变形和计算。 16.3.1 弹簧的应力应力计算的目的是确定簧丝的直径。图16-3(a)所示是被截去下部的压缩弹簧，截面通过弹簧的轴线。弹簧在最大工作载荷F2作用下，该截面上作用着剪力和扭矩。由于弹簧的螺旋升角很小(通常在59范围内)，为简化计算，把该截面作为弹簧丝的法截面，即截面积为圆面积；同时考虑到剪力引起的应力远比扭矩引起的应力小，亦将其略去。由材料力学可知，弹簧丝截面上的最大应力为精确的分析应该计入弹簧螺旋升角和曲率的影响，此时弹簧丝截面上应力分布如图16.3(b)所示，在其内侧a点处有最大值。为补偿上述简化计算带来的误差，引入曲度系数，且令，称为旋绕比，其中
9、为弹簧中径，为弹簧丝带直径，mm。则弹簧丝的强度条件为： （16-1）（a）截面受力 （b）截面应力图16-3 弹簧丝的应力分析于是弹簧丝直径 (16-2)式中：弹簧材料的许用应力(MPa)曲度系数为 (16-3)式(16-1)、式(16-2)也适用于拉伸弹簧的计算。16.3.2 弹簧的变形变形计算的目的是确定弹簧的有效圈数，即工作圈数。由材料力学可知，有效圈数为的压缩弹簧在载荷的作用下，其轴向变形量为 （16-4）于是弹簧圈数 (16-5)式中：弹簧变形量(mm)； 弹簧材料的切变模量(MPa)，钢： MPa ，青铜： MPa 式(16-3)、式(16-4)适用于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧
10、。对于有预应力的拉伸弹簧，应以代替式中的。旋绕比和弹簧刚度是弹簧设计中的两个重要参数。由式(16-5)可知，弹簧刚度 （16-6）可见，旋绕比对弹簧刚度影响很大。在弹簧丝直径和其他条件相同的情况下，值越小，越大，弹簧越硬，卷制就越困难，因此值不宜取得过小；反之，值也不可取得过大，否则弹簧刚度过小，工作时易颤动。设计时，一般取。不同弹簧丝直径推荐用的旋绕比见表16-3。、对弹簧刚度都有影响，设计时应综合考虑这些因素。表16-3 旋绕比的荐用值弹簧丝直径（mm）0.20.40.51.01.12.22.567.01618旋绕比71451251049484616.4 圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计16
11、.4.1 弹簧的结构和特性曲线1. 弹簧的结构圆柱螺旋弹簧的端部结构形式很多，压缩弹簧的两端各有3/45/4圈与邻圈并紧，只起支撑作用，不参与变形，故称支撑圈（或死圈）。支撑圈端面与弹簧座接触，常见的端部结构有并紧磨平的Y型和并紧不磨平的Y型两种，如图16-4所示。在重要场合应采用Y型以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。两端磨平部分的长度不少于3/4 圈，弹簧丝末端厚度一般为。图16-4圆柱螺旋压缩弹簧的端面圈图 图16-5 圆柱螺旋压缩弹簧的端部结构拉伸弹簧的端部制出挂钩，以便安装和加载。常用的端部结构形式如图16-5所示。其中，L型和L型制造方便，应用广泛，但因在挂
12、钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径的弹簧，L型和L型挂钩受力情况较好，且可转向任何位置，便于安装。对受力较大的重要弹簧，最好采用L型挂钩，但其制造成本较高。 2. 弹簧的特性曲线弹簧在弹性范围内变形，其变形量随载荷的变化而变化。表示弹簧工作过程中所受载荷与变形量之间关系的曲线，称为弹簧的特性曲线。图16.6所示为圆柱螺旋压缩弹簧及其特性曲线。弹簧在未受载荷时，自由高度为。安装弹簧时，为使它能可靠地稳定在工作位置上，通常预加一初始载荷 ，此时弹簧的高度由被压缩到，其压缩量为。当弹簧工作时，在最大工作载荷作用下，弹簧高度被压缩到，相应的压缩量为，弹簧的工作行程。为保证弹簧安全可靠的工
13、作，在作用下弹簧丝中产生的应力不应超过材料的许用应力。当弹簧的载荷增加到极限载荷时，弹簧高度被压缩到，其压缩变形量为 ，此时弹簧丝中的应力刚好达到材料的弹性极限。 设计弹簧时，弹簧的初始载荷通常取为：。最大工作载荷按工作要求确定，但为保证弹簧的正常工作，应使。图16-6所示为圆柱螺旋拉伸弹簧及其特性曲线。按卷绕方式不同，拉伸弹簧分无初应力和有初应力两种。无初应力拉伸弹簧的特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。初应力是在弹簧卷绕过程中，由各圈弹簧并紧而产生的内应力造成的，这个力称为初拉力。只有外载荷超过初拉力后，弹簧才开始变形。由图16.6和图16.7可以看出，对于等节距的圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧，其特性曲线为一斜直线，即弹簧所产生的变形量与其所承受的载荷成正比例关系，故刚度常数，这种弹簧称为定刚度弹簧。 图16-6 圆柱螺旋压缩弹簧特性曲线 图16-7 圆柱螺旋拉伸弹簧特性曲线16.4.2 弹簧的设计步骤在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求（例如安装空间对弹簧尺寸的限制）等来决定弹簧丝的直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。具体设计方法和步骤如下：1选择材料和确定许用
