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1、第一节 概 述,功用：储能、减震、夹紧或测力。,按形状分类,1 圆柱螺旋弹簧,2 板弹簧,3 碟形弹簧,4 环形弹簧,5 盘形弹簧,普通圆柱螺旋弹簧最为常见。根据受力不同，圆柱螺旋弹簧又分为压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧等，如图101所示。,图 10-1 圆柱螺旋弹簧 压缩弹簧 b) 拉伸弹簧 c)扭转弹簧,1 圆柱螺旋 弹簧,2 板弹簧,4 环形弹簧,3 碟形弹簧,5 盘形弹簧,c 扭转弹簧,b 拉伸弹簧,a 压缩弹簧,图 10-2 压缩弹簧各部分 的名称和尺寸,（1）弹簧丝直径d 制 造弹簧用的钢丝直径。,（2）弹簧的外径D、内 径D1和中径D2 其中D=D2+d；D1=D2-d ；中径 D
2、2=Cd，C为弹簧的选绕比（也称弹簧指数。,(3) 工作圈数n、支承圈数n2和总圈数n1 n1=n+n2。,如图102所示，压缩弹簧各部分的名称为：,(6) 展开长度 L 制造弹簧时所需钢丝的长度。,圆柱螺旋弹簧的结构尺寸及计算公式见表101。,(5) 自由高度 H0 不受外力作用时的弹簧高度。,(4) 节距P 相邻两工作圈上对应点之间的轴向离 。,表10-1 圆柱螺旋弹簧的结构尺寸计算公式, 为弹簧在最大工作载荷 F时，相邻两圈弹簧丝之间的间隙，通常取0.1d 。,第二节 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的 设计计算,一、弹簧的材料,弹簧通常是在变载荷和冲击载荷下工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和
3、疲劳极限，且应具有足够的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能。 常用的弹簧材料：碳素钢（如60、70、75等优质碳素钢）、合金钢（如低锰弹簧钢65Mn、硅锰弹簧钢60Si2Mn）、不锈钢和铜合金。,二、弹簧的特性曲线,弹簧在工作寿命内应具有良好的弹性，且不允许产生永久变形。因此在设计弹簧时，一定要使其工作应力在弹性变形范围内，其变形量和载荷成正比。 表示弹簧工作过程中载荷与变形之间的关系曲线，称为弹簧的特性曲线，如图103所示。,图103中有关参数的含义和关系如下：,弹簧未受载荷时的自由长度为H0。工作前在弹簧上加一初始载荷F1时，弹簧的长度被压缩到H1，压缩变形量为 。,图 10-3 圆柱螺旋压
4、缩弹簧及其特性曲线,注意：弹簧在Fmax作用下， 弹簧丝内的最大应力不应超过 材料的许用应力。,当弹簧工作时，在最大载 荷Fmax作用下弹簧的长度被压缩 到H2 ，压缩变形量 ,则弹簧的工作行程。 。,当载荷增加到极限载荷Flim时弹簧高度为H3 ，此时压缩量为 。,返回,压缩弹簧的初始载荷通常取为F1=（0.10.5）Fmax，最大工作载荷Fmax由工作条件决定，但应小于极限载荷，通常取Fmax0.8Flim。,三、弹簧的强度计算,弹簧的强度计算指根据弹簧的受力、变形以及结构要求等确定弹簧丝的直径d 等参数。,弹簧的特性曲线应绘在弹簧零件工作图中。,由于弹簧丝是绕成弯曲形状，故根据材料力学弯
5、曲理论来求其应力：,将旋绕比C=D2/d代入式（101）中，得弹簧丝直径的设计公式为：,（10-3）,式中 F最大轴向工作载荷，单位为N； 许用剪应力，单位为MPa； Ks曲度系数，它考虑了弹簧丝螺旋升角和曲率对弹簧丝应力的影响，其值可按式（103）计算或查表102； C旋绕比， C 值小，弹簧刚度大，不易变形， C 值太小，使弹簧卷绕困难； C 值大，情况正相反。 C 值太大，弹簧工作时容易发生颤动，可按表104的推荐值选取。,表10-2 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的曲度系数Ks,表10-3 弹簧丝直径d的标准系列 （单位：mm）,表10-4 圆柱螺旋弹簧C 的推荐值,四、弹簧的刚度计算,计算
6、弹簧的刚度主要为确定弹簧的工作圈数。 由材料力学可知，压缩弹簧在轴向载荷P作用下的轴向变形量为：,（10-4）,式中 n弹簧的工作圈数； G弹簧材料的剪切弹性模量，单位为MPa。 钢 ，锡青铜 ； 其余符号含义同前。,若以最大工作载荷Fmax下的变形量fmax代入式(104)，可得弹簧工作圈数的计算式：,C 值愈小，n 愈小，弹簧刚度就愈大，弹簧愈硬；反之愈软。,（10-6）,（10-5）,使弹簧产生单位变形所需的载荷，称为弹簧的刚度，用 表示，由式（104）得：,一般，弹簧的工作圈数不少于2。,五、弹簧的稳定性计算,当设计的压缩圈数n 过多或自由高度H0太大时，可能发生侧向弯曲，从而丧失稳定性，如图105示，故应进行稳定性验算。,式中 b高径比； b 许用的高径比，两 端固定的弹簧b=5.3；对 一端固定一端自由转动的弹簧b=3.7 ；当两端自由转动时，b=2.6 。,图 10-5 压缩弹簧的稳定性 a)失稳 b)加装导杆或导套,当不满足式（10-7）时，应重新选取弹簧参数或在弹簧内部安装导杆或在弹簧外部加装导套以避免发生侧向弯曲。,
