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1、20.1.1弹簧功能弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件。在各类机器中的应用十分广 泛。其主要功用是：1）控制机械的运动，例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（见 图a）；2）吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减振弹簧（见图b）及各种缓冲器的弹簧 等；3）存储和释放能量，例如钟表弹簧（见图c）、枪栓弹簧等；4）测量力的大小，例如弹簧秤（见图d）和测力器中的弹簧等等。團C冒A类 别代号许用扭应力T T许用弯曲应力宀亦切变模 量 G/GPa弹性模 量E/GPa推荐硬 度范围HRC推荐使 用温 度气特性及用途I类弹簧II类弹簧III类弹簧I类弹簧II类弹簧钢丝碳
2、素弹簧钢丝I,II,IIa,III0.3ob0.4ob0.5ob0.5ob0.625 ob81.578.5204202-40120强度高，性能 好，适于做小 弹簧60Si2Mn60Si2MnA47162778578598178.51974550-40200弹性好，回火 稳定，易脱碳， 适于做受大载 荷的弹簧65Si2MnWA60Si2CrVA56074593193111674752-40250强度好，耐高 温，弹性好30W4Cr2VA4425887357359204347-40350高温强度好， 淬透性好。50CrVA4550-40210高疲劳强度， 淬透性和回火 稳定性好不锈钢lCrl8Ni
3、9Ti32443254054067771.5193-250300耐腐蚀，耐高 温，适于做小 弹簧4Cr1344258873573592075.52154853-40300耐腐蚀，耐高 温，适于做大弹簧Co40CrNiTiMo500666834834100076.5197=-40500耐腐蚀，高强 度，无磁，高 弹性青铜丝Qsi-326535344244255040.293HB90120-40120耐腐蚀，防磁 好QSn4-339.2Qbe235344255055073542.2129.53740耐腐蚀，防磁， 导电性及弹性 好20.2.1弹簧材料为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较
4、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。表20-2 列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，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。图20-2 给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极 限。6LMPtij2 S002200180014001000-X、r、1|一一一一一_、一-23457 d (mm)图20-2碳素钢丝直径与强度的关系表 20-2 主要 弹簧 材料 及其 许用 应力 表20-2主要弹簧材料及其许用应力注：1按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：1类N106；II类N=103105以及受
5、冲击载荷的场合；皿类N4mm取下限。20.2.2弹簧材料选择弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、 工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实 际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以 采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。20.2.3弹簧制造螺旋弹簧的制造工艺过程如下： 绕制； 钩环制造； 端部的制作与精加工； 热处理； 工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。（1）冷卷法：簧丝直径d8mm）的弹
6、簧则用热卷法绕制。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。对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。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，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（见左图所示）比未经 强压处理的弹簧小。20.3.1弹簧特性曲线20.3.1弹簧特性曲线1、定义：表征弹簧载荷F、T与其变形l之间关系的曲线，称为弹簧特性线。2、载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或 伸长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。3、常见类型：
7、按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：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，利用特性曲线讲行载荷与变形关系的分析。20.4.1圆柱弹簧的参数及几何尺寸1、弹簧的主要尺寸DD2二图片1如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径Dt、螺旋升角a、 自由长度H等。，弹簧圈中径D，节距0 1 22、弹簧参数的计算弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最重要的参数之一。C=D /d,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2用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表。弹簧丝直径d
8、 （mm）0.2 0.40.5 11.1 2.22.5 67161840C7145125104104846弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为:弹簧节距t 一般按下式取：f = rf + _L+An（对压缩弹簧）;t=d （对拉伸弹簧）；式中：久-弹簧的最大变形量；max/ -最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于O.ld。弹簧钢丝间距：3 = t-d ；弹簧的自由长度：H = n3+（n -.5）d （两端并紧磨平）;0H = n3+（n +1）d （两端并紧，但不磨平）。0弹簧螺旋升角：通常a取590。弹簧丝材料的长度:冗2 %cos（对压缩弹簧）;coscir（对拉伸弹簧）;其中i为
9、钩环尺寸。20.4.2弹簧的强度计算，弹簧的受力图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩T = FRcosa，弯矩M= FRsina,切向力FQ = Fcosa和法向力NF = Fsina （式中R为弹簧的平 均半径）。由于弹簧螺旋角a的值不大（对于压缩弹簧为690 ），所以弯矩M和法向力N 可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。a的值较小时, cosa- 1,可取T = FR和Q = F。这种简化对于计算的准确性影响不大。当拉伸弹簧受轴向拉力F时，弹簧丝横剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T 和切向力Q均为相反的方向。所以
10、上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。6图片120.4.2弹簧的强度计算，弹簧的强度从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝164系数Ks可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响,可得到扭应力肿也 1“0.6154C-1K 1C 4C-4式中K为曲度系数。它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。一定条件下钢丝直径20.4.2弹簧的强度计算，弹簧的刚度圆柱弹簧受载后的轴向变形量A =1-=GdA Gd式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。这样弹簧的圈数及刚度分别为_ G护 2 _ GdA 8- 8FC37 F GdA Gd jp 刁8Q；鬥8C咕对于拉伸弹簧，n20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
