教学课件：第六章-机械零件基础-弹簧

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1、首届三一工业设计大赛金奖作品首届三一工业设计大赛金奖作品泥爪甲泥爪甲第四节第四节 弹簧弹簧一、弹簧的主要功用一、弹簧的主要功用1）缓和冲击和吸收振动）缓和冲击和吸收振动 汽车、火车中的缓冲弹簧、自行车的车座弹簧等。汽车、火车中的缓冲弹簧、自行车的车座弹簧等。概述概述2）控制机构的运动）控制机构的运动 内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧、溢流阀的弹簧等。内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧、溢流阀的弹簧等。3）储存能量）储存能量 钟表弹簧、枪机弹簧、机械式剃须刀（前苏联钟表弹簧、枪机弹簧、机械式剃须刀（前苏联1957）、地弹簧、鞍马跳板等。）、地弹簧、鞍马跳板等。4）测量力的大小）测量力的

2、大小 测力仪及弹簧秤中的弹簧、压力继电器的弹簧等。测力仪及弹簧秤中的弹簧、压力继电器的弹簧等。5）维持零件的弹性接触）维持零件的弹性接触 电器、电子线路中的插头、接头等。电器、电子线路中的插头、接头等。二、弹簧的分类二、弹簧的分类按承受载荷的不同分为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。拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。拉伸弹簧拉伸弹簧压缩弹簧压缩弹簧扭转弹簧扭转弹簧弯曲弹簧弯曲弹簧概述概述螺旋弹簧螺旋弹簧环形弹簧环形弹簧碟形弹簧碟形弹簧 盘簧盘簧板簧板簧按弹簧形状的不同分为按弹簧形状的不同分为 螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、盘簧（蜗卷弹簧）螺旋弹簧、蝶形弹簧

3、、环形弹簧、盘簧（蜗卷弹簧）、板弹簧等。、板弹簧等。概述概述概述概述蝶形弹簧蝶形弹簧由截锥形弹簧片组成。刚度大，吸振性好，主要用作承受大载荷的缓冲弹簧 盘簧盘簧常用于承受的扭矩不很大，且又要求轴向尺寸小的场合，例如钟表机构板簧板簧常用于受载方向的尺寸小，且变形量较大的场合，例如汽车弹簧、仪表中的弹簧片汽车减振螺旋弹簧三、汽车常用的弹簧三、汽车常用的弹簧概述概述汽车减振板弹簧v市场上销售的弹簧市场上销售的弹簧扬州弹簧厂产品扬州弹簧厂产品概述概述四、市场上销售的弹簧四、市场上销售的弹簧山东衡大弹簧公司产品山东衡大弹簧公司产品概述概述概述概述浙江远大弹簧厂产品浙江远大弹簧厂产品概述概述常州弹簧厂产品

4、常州弹簧厂产品概述概述温州特种弹簧公司产品温州特种弹簧公司产品弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造圆柱螺旋弹簧制造的三道基本工序卷绕成形卷绕成形端部加工（压簧）或挂端部加工（压簧）或挂钩制作（拉簧和扭簧）钩制作（拉簧和扭簧）热处理热处理一、螺旋弹簧的制造一、螺旋弹簧的制造弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造冷卷冷卷热卷热卷直径小于10mm时使用弹簧较粗时使用一、螺旋弹簧的制造一、螺旋弹簧的制造（1）卷绕）卷绕冷卷：冷卷：用于弹簧丝直径较小（用于弹簧丝直径较小（d10mm)时，卷成后只作低温时，卷成后只作低温回火回火,以消除内应力。以消除内应力。热卷：热卷：用于直

5、径较大的弹簧钢丝制造弹簧时，卷成后要进行用于直径较大的弹簧钢丝制造弹簧时，卷成后要进行淬火及回火处理。淬火及回火处理。弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造（2）钩环的制作或两端的加工）钩环的制作或两端的加工为便于连接和加载，其两端应做出为便于连接和加载，其两端应做出钩环钩环。但钩环过渡处。但钩环过渡处会因弯曲产生较大会因弯曲产生较大弯曲应力弯曲应力，从而降低拉伸弹簧的强度，为，从而降低拉伸弹簧的强度，为减轻或消除影响可采用减轻或消除影响可采用附加钩环结构附加钩环结构形式。形式。拉伸弹簧：拉伸弹簧：对于重要的压缩弹簧或旋绕比对于重要的压缩弹簧或旋绕比C（弹簧中径与簧丝直径（弹簧中

6、径与簧丝直径之比）较小的压缩弹簧（一般之比）较小的压缩弹簧（一般C10），应将），应将端面磨平端面磨平，使，使两端支承端面与轴线垂直，减少在受载时产生歪斜的可能。两端支承端面与轴线垂直，减少在受载时产生歪斜的可能。压缩弹簧：压缩弹簧：一、弹簧的材料一、弹簧的材料弹簧材料要求弹簧材料要求1）有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；）有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造2）具有良好的热处理性能，热处理后应有足够的经久不）具有良好的热处理性能，热处理后应有足够的经久不变的弹性，且脱碳性要小；变的弹性，且脱碳性要小；3）对冷拔材料

7、要求有均匀的硬度和良好的塑性。）对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。弹簧材料要求弹簧材料要求1）有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；）有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性；常用弹簧材料常用弹簧材料q碳素弹簧钢碳素弹簧钢 价格低廉，适宜做簧丝直径小于价格低廉，适宜做簧丝直径小于10mm的小弹簧。的小弹簧。弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造q硅青铜、锡青铜等有色金属硅青铜、锡青铜等有色金属 具有导电导热性能好、减摩耐磨、具有导电导热性能好、减摩耐磨、耐潮湿耐腐蚀等特殊性能，但强度低于弹簧钢丝。耐潮湿耐腐蚀等特殊性能，但强度低于弹簧钢丝。q非金属弹簧材料非

8、金属弹簧材料 主要主要有橡胶、塑料、软木及空气等。有橡胶、塑料、软木及空气等。q合金合金弹簧钢弹簧钢 不同的合金弹簧钢丝有不同的性能，如抗冲击、适宜不同的合金弹簧钢丝有不同的性能，如抗冲击、适宜承受变载荷、耐高温、耐腐蚀等，大小尺寸的弹簧均能制作。承受变载荷、耐高温、耐腐蚀等，大小尺寸的弹簧均能制作。二、许用应力二、许用应力根据弹簧的重要程度和载荷性质可分为三类：根据弹簧的重要程度和载荷性质可分为三类：类类用于承受载荷循环次数用于承受载荷循环次数 次以上的次以上的变载荷的重要弹簧变载荷的重要弹簧；类类用于承受载荷循环次数在用于承受载荷循环次数在 次之间变载荷或承次之间变载荷或承受冲载荷的弹簧以

9、及承受静载荷的受冲载荷的弹簧以及承受静载荷的重要弹簧重要弹簧；类类用于承受载荷循环次数在用于承受载荷循环次数在 以下的变载荷弹簧或承受以下的变载荷弹簧或承受静载荷的静载荷的一般弹簧一般弹簧。许用应力许用应力许用切应力许用切应力T许用弯曲应力许用弯曲应力b与弹簧的材料和类别有关与弹簧的材料和类别有关弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造压缩弹簧的端部结构（压缩弹簧的端部结构（GB1239-78）按两端面并紧和磨平与否分四种形式按两端面并紧和磨平与否分四种形式YI、YII、YIII

10、和和YIV型。型。弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造拉伸弹簧的端部结构：拉伸弹簧的端部结构：a）d）端部和钩过渡处出现较大的弯曲应力，降低拉端部和钩过渡处出现较大的弯曲应力，降低拉簧的强度和寿命。常用于簧的强度和寿命。常用于d10mm弹簧中。弹簧中。e）和和f）将挂钩和弹簧分别制造，再组装，制成附加钩环将挂钩和弹簧分别制造，再组装，制成附加钩环结构，可消除这种影响结构，可消除这种影响,常用于弹簧受力较大的场合。常用于弹簧受力较大的场合。为了安装和加载，端部做钩。为了安装和加载，端部做钩。弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造（3）热处理；）热处理；（4）工艺试验

11、及必要的强压或喷丸等强化处理。）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。强压和喷丸处理均是使弹簧材料表面产生塑性变形强压和喷丸处理均是使弹簧材料表面产生塑性变形和有益的残余应力，以提高其承载能力。和有益的残余应力，以提高其承载能力。弹簧还须进行工艺、精度、冲击及疲劳等试验，以弹簧还须进行工艺、精度、冲击及疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。检验弹簧是否符合技术要求。强化处理是最后处理强化处理是最后处理。不允许再进行其他处理，也不不允许再进行其他处理，也不允许在允许在150450和和长期振动长期振动条件下工作。条件下工作。弹簧的材料、许用应力和制造弹簧的材料、许用应力和制造圆柱形压缩（拉伸）螺

12、旋弹簧的设计计算内容：圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算内容：1、确定结构形式和特性线；、确定结构形式和特性线；2、选择材料和确定许用应力；、选择材料和确定许用应力；3、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；、由强度条件确定弹簧丝的直径和弹簧中径；4、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；、由刚度条件确定弹簧的工作圈数；5、确定弹簧的基本参数、尺寸等。、确定弹簧的基本参数、尺寸等。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算中径中径 D外径外径 D2内径内径 D1节距节距 p螺旋升角螺旋升角 弹簧丝直径弹簧丝直径 d圈数圈数 n弹簧指数（旋绕比）弹簧指数（旋绕比）C=D/

13、d圆柱形螺旋弹簧的几何参数圆柱形螺旋弹簧的几何参数一、几何尺寸和参数一、几何尺寸和参数圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算二、特性线二、特性线弹簧的特性线：表示载荷与相应变形之间关弹簧的特性线：表示载荷与相应变形之间关系的曲线。系的曲线。弹簧特性线的三种类型：弹簧特性线的三种类型：直线型直线型a；渐增型渐增型b；渐减型渐减型c弹簧的特性线弹簧的特性线圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算v圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线圆柱形等节距压缩螺旋弹簧及其特性线弹簧的自由高度弹簧的自由高度H0弹簧的最小工作载荷弹簧的最小工作载荷F

14、1在在F1作用下由作用下由H0被压缩到被压缩到H1，相应的变形量，相应的变形量 。弹簧承受的最大载荷弹簧承受的最大载荷F2在在F2作用下弹簧高度被压缩作用下弹簧高度被压缩到到H2，相应的变形量相应的变形量 。弹簧的工作行程弹簧的工作行程h：圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算 弹簧的极限工作载荷弹簧的极限工作载荷Flim 在其作用下弹簧丝内的应力达到了在其作用下弹簧丝内的应力达到了弹簧材料的屈服极限。弹簧材料的屈服极限。弹簧的极限高度弹簧的极限高度Hlim 弹簧的极限压缩变形量弹簧的极限压缩变形量 一般应略小于或等于弹簧各圈一般应略小于或等于弹簧各圈完全并紧

15、时的全变形量完全并紧时的全变形量圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算弹簧的极限工作载荷弹簧的极限工作载荷Flim的大小，应保证弹簧丝中的极限的大小，应保证弹簧丝中的极限切应力在以下范围：切应力在以下范围：类弹簧类弹簧 类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧弹簧的最小载荷通常取为弹簧的最小载荷通常取为弹簧的最大工作载荷取为弹簧的最大工作载荷取为 对于等节距的圆柱螺旋弹簧，由于载荷与变形成正比，对于等节距的圆柱螺旋弹簧，由于载荷与变形成正比，故特性曲线为直线，即故特性曲线为直线，即圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算三、圆柱螺旋弹簧受载时的

16、应力和变形三、圆柱螺旋弹簧受载时的应力和变形1、弹簧的应力、弹簧的应力圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算计算时将簧丝视为直梁，考虑到弹簧升角和曲率对弹簧计算时将簧丝视为直梁，考虑到弹簧升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，引进一个曲度系数丝中应力的影响，引进一个曲度系数K 加以修正。加以修正。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算2、弹簧的变形和刚度、弹簧的变形和刚度弹簧的刚度为：弹簧的刚度为：圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的

17、设计计算3、弹簧的稳定性计算、弹簧的稳定性计算(与与高径比高径比和和支承形式支承形式有关）有关）压缩弹簧的自由高度压缩弹簧的自由高度 与中径与中径 之比，称为之比，称为高径比高径比 为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比为保证压缩弹簧的稳定性，其高径比b b值应值应满足下列要求：满足下列要求：两端固定时两端固定时 b 5.3 一端固定另一端自由转动时一端固定另一端自由转动时 b 3.7 两端均自由转动时两端均自由转动时 b 2.6压缩弹簧的失稳压缩弹簧的失稳当当b b值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。值不满足上述要求时，应进行稳定性验算。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋

18、弹簧的设计计算保持稳定时的临界载荷由下式计算保持稳定时的临界载荷由下式计算可保证弹簧的稳定性，最大工作载可保证弹簧的稳定性，最大工作载荷荷 与临界载荷与临界载荷 之间应满足以之间应满足以下关系下关系不稳定系数。不稳定系数。bCB如不满足，应重选参数，改变如不满足，应重选参数，改变b值。值。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算如受条件限制不能改变参数如受条件限制不能改变参数b b，可加导杆或导套，或采用，可加导杆或导套，或采用组合弹簧等措施。组合弹簧等措施。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算四、受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计四、受静载荷圆柱形螺旋弹簧的设计1.1.选择材料和确定许用应力选择材料和确定许用应力（1 1）选择材料）选择材料;（2 2）根据安装空间估计中径）根据安装空间估计中径D;D;（3 3）初步确定弹簧指数）初步确定弹簧指数C C与弹簧丝直径与弹簧丝直径d;d;2.2.根据强度条件试算弹簧丝直径根据强度条件试算弹簧丝直径 3.3.根据变形条件计算弹簧工作圈数根据变形条件计算弹簧工作圈数4.4.计算弹簧主要尺寸计算弹簧主要尺寸5.5.验算稳定性验算稳定性6.6.绘制弹簧工作图绘制弹簧工作图圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算