第5章 弹簧 （30千字）5.1 概述 弹簧是一类弹性零件，它在载荷作用下可以产生较大的变形，在各种机械设备、仪器仪表、车辆等装置中得到广泛的应用5.1.1 弹簧的用途弹簧的主要用途有1．控制机械运动 如内燃机的进、排气门弹簧，离合器以及制动器的控制弹簧等2．缓冲与减振 如各种车辆悬挂系统的减振弹簧，各种减振器弹簧，弹性联轴器中的弹簧3．存储能量 通过弹簧变形存储能量，作为机械装置的原动力例如机械钟表及各种仪器中的原动弹黄，枪闩弹簧等4．测量力和力矩 通过弹簧变形的大小测量作用于弹簧上的力的大小，例如弹簧称5.1.2 弹簧的类型常见的弹簧按照所承受的载荷形式，可以分为压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，按照弹簧的形状可以分为螺旋弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧、板簧和环形弹簧，表5-1所列为常见的弹簧类型螺旋弹簧由弹簧丝卷制而成，制造方法简便，应用最广泛螺旋弹簧可以制成压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧，可以制成圆柱形或圆锥形，可以制成等螺距，也可以制成变螺距本章只分析螺旋弹簧的结构形式和设计方法碟形弹簧承载能力大，占用轴向尺寸小可以承受冲击载荷，常用于空间受限制的场合。
环形弹簧承载能力大，具有很强的缓冲吸振作用，常用作车辆和其他重型设备的缓冲元件板簧在载荷作用方向的尺寸较小，允许变形量较大，由于多层板簧具有较好的消振作用，在车辆悬挂系统应用较多表5-1 常用弹簧的基本类型载荷形状拉伸压缩扭转弯曲螺旋弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋扭转弹簧其他弹簧平面涡卷弹簧板簧5.2 弹簧的材料和制造5.2.1 弹簧的常用材料弹簧工作中通常材料的变形和承受应力较大，而且多承受交变应力作用，因此需要弹簧材料具有较高的屈服强度和疲劳强度，足够的冲击韧性，对于截面尺寸较大的弹簧材料，加工过程需要热成型，成型后需要进行热处理，要求材料具有较好的热处理工艺性弹簧常用材料有碳素弹簧钢丝、重要用途碳素弹簧钢丝、弹簧用不锈钢丝，热轧弹簧钢和青铜线，常用弹簧材料见表5-2表5-2 弹簧常用材料材料名称及牌号直径/mm切变模量G/GPa弹性模量E/GPa推荐硬度/HRC推荐温度/℃性能碳素弹簧钢丝25~8040Mn~70MnB级：0.08~13C级：0.08~13D级：0.08~679206--40~130强度高、性能好B级用于低应力弹簧，C级用于中等应力弹簧，D级用于高应力弹簧重要用途碳素弹簧钢丝65MnT9AT8MnAE组：0.08~6F组：0.08~6G组：1~6强度高，韧性好，用于重要的小弹簧 弹簧用不锈钢丝A组1Cr18Ni90Cr18Ni100Cr17Ni12Mo2B组1Cr18Ni90Cr18Ni10C组0Cr17Ni8Al0.08~1271193-200~300耐腐蚀，耐高、低温，用于腐蚀或高、低温环境工作的小弹簧油淬火回火钢丝65Mn5~807919645~5040~120弹性好，用于普通机械用弹簧油淬火回火钢丝50CrVA40~210有较高的疲劳强度，抗高温，用于工作温度高的较大弹簧油淬火回火钢丝55Si2Mn40~250有较高的疲劳强度，弹性好，广泛用于各种机械的弹簧硅青铜线QSi3-10.1~64193.290~100HBW-40~120较高的耐腐蚀和防磁性能，用于机械或仪表等用弹性元件锡青铜线QSn4-3QSn6.5-0.1QSn6.5-0.4QSn7-0.240-250~120有较高的耐磨损、耐腐蚀和防磁性能。
用于机械或仪表等用弹性元件铍青铜线QBe20.03~644129.537~40-200~120较高的耐磨损、耐腐蚀、防磁和导电性能用于机械或仪表等用精密弹性元件弹簧钢丝和青铜线的抗拉强度见表5-3和表5-4，许用应力见表5-5弹簧按载荷循环次数分为以下三类：Ⅰ类—载荷循环次数在106以上；Ⅱ类—载荷循环次数在106 ~103之间；Ⅲ类—受静载荷或载荷循环次数小于103选择弹簧材料要综合考虑功能要求、使用环境条件和加工工艺要求，合理选择1）碳素弹簧钢 价格便宜，来源方便；弹性极限较低，淬透性差，不能在高温条件下工作，适合于制造一般用途的小尺寸弹簧2）合金弹簧钢 常用的合金弹簧钢有低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢合金弹簧钢淬透性好，强度高；硅锰弹簧钢弹性极限高，回火稳定性好；铬钒钢组织细化，强度高，韧性好，但价格较高，适用于重要场合3）不锈钢和青铜 不锈钢耐腐蚀；青铜材料的耐腐蚀、防磁和导电性能好，强度较低，常用于腐蚀性较强的化工设备上表5-3 弹簧钢丝的抗拉强度sb/MPa钢丝直径/mm碳素弹簧钢丝重要用途碳素弹簧钢丝弹簧用不锈钢B级C级D级E组F组G组A组B组C组1.01660~20101960~23002300~26902020~23502350~26501850~21101471186317651.21620~19601910~22502250~25501920~22702270~25701820~20801373176516671.41620~19101860~22102150~24501870~22002200~25001780~20401373166516671.61570~18601810~21602110~24001830~21402160~24801750~20101324166715691.81520~18101760~21102010~23001800~21302060~23601700~19601324166715692.01470~17601710~20101910~22001760~20901970~22301670~19101324166715692.21420~17101660~19601810~21101720~20001870~21301620~18602.31275156914712.51420~17101660~19601760~20601680~19601770~20301620~18602.61275156914712.81370~16701620~19101710~20101630~19101720~19801570~18102.91177147113733.01370~16701570~18601710~19601610~18901690~19501570~18103.21320~16201570~18101660~19101560~18401670~19301570~18101177147113733.51320~16201570~18101660~19101520~17501620~18401470~17101177147113734.01320~16201520~17601620~18601480~17101570~17901470~17101177147113734.51320~15701520~17601620~18601410~16401500~17201470~17101079137312755.01320~15701470~17101570~18101380~16101480~17001420~16601079137312755.51270~15201470~17101570~18101330~15601440~16601400~16401070137312756.01220~14701420~16601520~17601320~15501420~16601350~15901079137312756.51220~14701420~1610-98112757.01170~14201370~157098112758.01170~14201370~157098112759.01130~13201320~1520112810.01130~13201320~1520981 表5-4 青铜线的抗拉强度sb/MPa材料硅青铜线锡青铜线铍青铜线线材直径/mm0.1~2>2~4.2>4.2~60.1~2.5>2.5~4>4~5状态硬化调质前硬化调质后软343~568>1029抗拉强度sb7848338337848338331/2硬579~784>1176硬>598>1274表5-5 弹簧材料的许用应力/MPa钢丝类型或材料碳素弹簧钢丝重要用途碳素弹簧钢丝弹簧用不锈钢丝1）65Mn50CrVA55Si2Mn青铜线压缩弹簧许用切应力[]Ⅲ类0.5sb0.5sb0.45sb5707400.4sbⅡ类(0.38~0.45)sb(0.38~0.45)sb(0.34~0.38)sb455590(0.30~0.35)sbⅠ类(0.30~0.38)sb(0.30~0.38)sb(0.28~0.34)sb340445(0.25~0.30)sb拉伸弹簧许用切应力[]Ⅲ类0.4sb0.4sb0.36sb3804950.32sbⅡ类(0.30~0.36)sb(0.30~0.36)sb(0.27~0.30)sb325420(0.24~0.28)sbⅠ类(0.24~0.30)sb(0.24~0.30)sb(0.22~0.27)sb285310(0.20~0.24)sb扭转弹簧许用弯曲应力[s]Ⅲ类0.8sb0.8sb0.75sb7109250.75sbⅡ类(0.60~0.68)sb(0.60~0.68)sb(0.55~0.65)sb570740(0.55~0.65)sbⅠ类(0.50~0.60)sb(0.50~0.60)sb(0.45~0.55)sb455590(0.45~0.。