弹簧设计和计算一. 弹簧按工作特点分为三组I组：受动负荷（即受力忽伸忽缩，次数很多）的弹簧，而且当弹簧损坏后将引起整个机构发生故障.例如:发动机的阀门弹簧、摩擦离合器弹簧、电磁制动器弹簧等II组：受静负荷或负荷均匀增加的弹簧，例如安全阀和减压阀的弹簧，制动器和传动装置的弹簧等III组：不重要的弹簧，例如止回阀弹簧手动装置的弹簧，门弹簧和沙发弹簧等二. 按照制造精度分为三级1级精度：受力变形量偏差为±5%的弹簧，例如调速器和仪器等需要准确调整的弹簧2级精度：受力变形量偏差为±10%的弹簧，例如安全阀、减压阀和止回阀弹簧，内燃机进气阀和排气阀的弹簧3级精度：受力变形量偏差为±15%的弹簧，不要求准确调整负荷的弹簧，象起重钩和缓冲弹簧、刹车或联轴器压紧弹簧等三. 名词和公式1螺旋角：也叫“升角”，计算公式是:螺旋角的正切tga，丄；式中:t-—弹簧的节距；D-—中径兀D22一般压缩弹簧的螺旋角a=6~9左右；2金属丝的展开长L=€DAfDn+钩环或腿的展开长；cosa2式中：n二弹簧的总圈数；n二弹簧的工作圈数弹簧指数：是弹簧中径d与金属丝直径d的比，又叫“旋绕比”用C来代2表，即：C=巳；d在实用上C24,太小了钢丝变形很厉害，尤其受动负荷的弹簧，钢丝弯曲太厉害时使用寿命就短。
但C也不能太大，最大被限制于CW25C太大，弹簧本身重量在巨大的直径上不断地颤动而发生摇摆，同时缠绕以后容易松开，直径难于掌握一般C=4~9弹簧指数C可按下表选取表弹簧指数C选择d（毫米）0.2~0.40.45~11.1~2.22.5~67~1618~24C-D2d7~145~125~104~104~84~64．用弹簧应力计算公式的时候，还要考虑金属丝弯曲的程度对应力的影响，而加以修正这影响强度计算的弯曲程度，叫“曲度系数”，分别用下式表示：压、拉弹簧曲度系数k€4+0.615；4C—4C扭转弹簧曲度系数k€竺z!；i4C—4为了便于计算，根据上面两个公式算出K和K值，列成表2：1曲度系数K和K表1C€D2d44.555.566.577.58&599.51012141.41.31.31.21.21.21.21.21.11.11.11.11.11.11.0K0518531087654261.21.21.11.11.11.11.11.11.11.11.01.01.01.01.0K15097543210998765. 计算扭转弹簧刚度时，主要是受弯曲应力因此，使用的是弹性模数E钢的E二2.1€104（公斤力/毫米2）；铜的E=0.95€104（公斤力/毫米2）。
6. 计算压缩、拉伸弹簧时，主要是受剪切应力因此使用的是剪切弹性模数G钢的剪切弹性模数G~8000（公斤力/毫米2）；青铜的剪切弹性模数G~4000（公斤力/毫米2）7．工作圈数和支承圈工作圈的作用是使弹簧沿轴线伸缩，是实际参加工作的圈数，又叫“有效圈数”，用n来表示支承圈的功用，是用来保证压缩压缩弹簧在工作时轴线垂直于支承端面，但并不参加弹簧工作因此，压缩弹簧的两端至少各要3/4圈拼紧，并磨平作为支承面磨薄后的钢丝厚度约为l/4d，尾部和工作圈贴紧重要的压缩弹簧，两端的结束点要在相反的两边，以使受力均匀所以一般压缩弹簧的总圈数多带有半圈的，如623圈、1012圈等压缩弹簧的工作圈是从按计算的螺旋角卷制时算起，而拉伸弹簧是从钩的弯曲处开始计算压缩弹簧必须有支承圈，扭簧和拉伸簧由于两端有腿或钩环，所以没有支承圈选择压缩弹簧工作圈的要点是：必须考虑到安装地位的限制和稳定性，圈数不要太多，同时也要考虑到受力均匀和能耐冲击疲劳，因此圈数也不能太少在一般情况下，压缩弹簧工作圈数选择是：在不重要的静负荷作用下，n$2.5圈，经常受负荷或要求受力均匀时n$4圈，而安全阀弹簧对受力均匀的要求很严格，所以n$6圈。
至于受动负荷如排气阀#弹簧，也要求n$6圈n$7圈的弹簧，两头的支承圈数要适当加多，但每边不超过1打圈因此，总圈数为：n=n+G.5〜2.5）18．刚度与弹簧指数、圈数的关系压、拉弹簧的刚度是指产生1毫米的变形量所需要的负荷扭转弹簧的“扭转刚度”是指扭转1°所需要的力矩刚度越大，弹簧越硬我们知道，弹簧钢丝直径d越粗，而材料的G或E越大时，弹簧刚度或扭转刚度也越大；相反的，中径D越大或工作圈数n越多时，弹簧刚度也越小因此2它们的关系是：压、拉弹簧的刚度P二竺，（公斤力/毫米）；8D3n2扭转弹簧的扭转刚度M'二Ed4，（公斤力•毫米/度）3664Dn29. 单圈变形量在负荷P作用下，压缩、拉伸弹簧一圈的变形量，叫“单圈变形量”用f表示如果已知单圈变形量f，就可以求出总变形量F二fn总变形量F的计算公式是：f二竺DM，（毫米）；Gd4将n=1代入，便得压、拉弹簧的单圈变形量f二竺DL，（毫米）JC1AGd4单圈变形量的用处很大，它可以作为比较计算的基础10. 抗拉极限强度„;允许弯曲工作应力„］，扭转弹簧的受力，主要是弯曲应b力，所以应计算„］值；压、拉弹簧在工作时所产生的应力主要是扭转应力，在极限负荷P作用下所产生的应力，叫“允许扭转极限应力”以T来表示；在工作负荷P作用下所产生的应力叫“允许扭转工作应力，用,］来表示。
2计算代号表3参数名称代号单位直径金属丝或轧材直径弹簧内径弹簧中径弹簧外径负荷允许极限负荷最大工作负荷最小工作负荷愈加负荷允许极限扭矩最大工作扭矩最小工作扭矩应力扭转应力允许扭转极限应力允许扭转工作应力允许弯曲极限应力允许弯曲工作应力咼度（长度）自由高度或长度极限负荷下的咼度或长度最大工作负荷下的高度或长度最小工作负荷下的高度或长度展开长节距间距工作圈数总圈数螺旋角变形量极限负荷下的变形量最大工作负荷下的变形量最小工作负荷下的变形量极限负荷下单圈的变形量最大工作负荷下单圈的变形量最小工作负荷下单圈的变形量极限扭矩下的扭转角最大工作扭矩下的扭转角dDiD2DPP3P2P1P0M3M2M1T0T[T]02]HH3H2H1LT8nniaFF3F2F1f3f2f1Q3（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（公斤）（公斤）（公斤）（公斤）（公斤）（公斤力/毫米）（公斤力/毫米）（公斤力/毫米）（公斤力/毫米2）（公斤力/毫米2）（公斤力/毫米2）（公斤力/毫米2）（公斤力/毫米2）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）圈圈度（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）（毫米）度度最小工作扭矩下的扭转角工作行程€2度（毫米）工作扭转角€1度系数弹簧指数（旋绕比）H压缩、拉伸弹簧的曲度系数€扭转弹簧的曲度系数模数C剪切弹性模数K（公斤力/毫米2）弹性模数K1（公斤力/毫米2）比值刚度（产生1毫米的变形量所需的负荷）G公斤力/毫米扭转刚度（扭转1°所需的力矩）EP'M'公斤力•毫米/度四．弹簧材料和允许工作应力的确定1．材料分类和性能，根据化学成分来分，弹簧钢大致分为几种，它的性能如下：优质碳素钢（例如正、中、高级碳素弹簧钢丝）是廉价的弹簧钢，有相当好的耐疲劳强度。
但是，如果含碳太高，在热处理时表面容易脱碳此外，它不能在大于120°C的温度下正常工作低锰钢（例如60M）价廉、脱碳少，但淬火后容易产生裂缝和热脆n硅钢（例如60Si2M）来源比较广，容易热处理，可淬性高，缺点是表面容易脱n碳，而且容易石墨化铬钒钢（例如50CVA）是耐疲劳和抗冲击最好的弹簧钢，有很高的机械性能，r并能在400°C以下工作，但价格比较贵，使用上受到限制不锈钢、青铜或锡锌青铜，有耐腐蚀的特点，所以在化学工业中多数都采用这种材料的弹簧，但是由于青铜类的材料不易热处理和机械性能差，所以一般机械都尽量避免采用这种弹簧材料在卷绕工艺上，弹簧材料可分为下面两中：一种是冷绕的弹簧材料：当钢丝直径dW8毫米时，一般都采用冷绕，因为有些弹簧钢丝经制造厂用特殊方法热处理后冷拉而成（例如琴钢丝或正、中、高级碳素弹簧钢丝）强度很高，冷绕后不必再淬火，但必须进行低温回火，以消除内应力（青铜丝也要采用冷绕后进行低温回火）但是有的弹簧钢丝（例如60Si2M）在出厂的时候没有经过热处理，冷卷成弹簧后，必须进行淬火和回火n另一种是热卷弹簧材料：凡钢丝直径d〉8毫米的，或弹簧指数C特别小的弹簧,或者是某些合金弹簧钢丝（例如60Si2M、50CVA等），直径虽然不很大，但由nr于钢丝太硬，不容易冷绕，也应该用热绕的方法制成弹簧，然后再进行淬火和回火。
弹簧材料特性和允许工作应力的确定表，表4材料牌号正中高65Mn60Si2Mn50CVAr4C13r3—1硅锰青铜4—3锡锌青铜说明1. 表中金属丝直径d栏内的空格表示我国尚无相应部颁标准的尺寸规格2. 表中青铜金属丝直径的尺寸范直径d金属丝毫米0.3~80.3~80..5~60..5~6棒料超过50超过50超过50超过50机械性能（公斤力/毫米2）I、II、III组的允许扭转极限应力T或III组的[T]0.5obb0.5obb0.5obb5075454540允许扭转工作应力I组0.3obb0.3obb0.3obb3045272724II组0.4obb0.4obb0.4obb4060363632[t]围系根据冶金工业部1959允许I0.375ob0.375ob0.375ob37.556.233.733.730弯曲II0.5obb0.5obb0.5ob5075454540工年产作品目III0.6250.6250.625录列应62.593.756.256.250力obobob入，2]超过此范剪切弹。