十六章弹簧设计 《机械设计基础》教案(机电专业90学时) 第十六章弹簧设计 1.教学目标 1.了解常用弹簧的类型、特点、应用、材料及制造工艺 2.掌握圆柱螺旋弹筼的设计计算方法; 2.教学重点和难点 【重点、难点】圆柱螺旋弹簧的设计计算方法 3.讲授方法:多媒体和演示柜教学 正文 弹簧是靠弹性变形来实现其功能的零件,它可以在载荷的作用下产生较大的弹性变形。在机 械设备和仪器仪表中,弹簧的功能不同,其结构类型有很多种。圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的应 用最广。本章主要介绍其结构、设计计算以及常用的弹簧特点和应用。 §16.1弹簧的功能、类型及特性曲线 弹簧在各类机械中的应用十分广泛,是一种常用的弹性零件,其主要功能有 1)缓冲吸振。例如汽车中的缓冲弹簧、铁路机车车辆的缓冲器、弹性联轴器中的弹簧等。 这类弹簧具有较大的弹性变形,以便吸收较多的冲击能量。有些弹簧在变形过程中能依靠摩擦消 耗部分能量以增加缓冲和吸振的作用。 2)控制运动。例如内燃机的阀门弹簧,离合器。制动器和凸轮机构中的弹簧等。这类弹簧
第十六章 弹簧设计 《机械设计基础》教案（机电专业 90 学时） 285 第十六章 弹簧设计 1．教学目标 1．了解常用弹簧的类型、特点、应用、材料及制造工艺； 2．掌握圆柱螺旋弹簧的设计计算方法； 2．教学重点和难点 【重点、难点】 圆柱螺旋弹簧的设计计算方法 3．讲授方法：多媒体和演示柜教学 正 文 弹簧是靠弹性变形来实现其功能的零件，它可以在载荷的作用下产生较大的弹性变形。在机 械设备和仪器仪表中，弹簧的功能不同，其结构类型有很多种。圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的应 用最广。本章主要介绍其结构、设计计算以及常用的弹簧特点和应用。 §16.1 弹簧的功能、类型及特性曲线 弹簧在各类机械中的应用十分广泛，是一种常用的弹性零件，其主要功能有： 1）缓冲吸振。例如汽车中的缓冲弹簧、铁路机车车辆的缓冲器、弹性联轴器中的弹簧等。 这类弹簧具有较大的弹性变形，以便吸收较多的冲击能量。有些弹簧在变形过程中能依靠摩擦消 耗部分能量以增加缓冲和吸振的作用。 2）控制运动。例如内燃机的阀门弹簧，离合器。制动器和凸轮机构中的弹簧等。这类弹簧
十六章弹簧设计 《机械设计基础》教案(机电专业90学时) 常要求在某变形范围内作用力变化不大。 3)储存和释放能量。例如自动机床的刀架自动返回装置中的弹簧,经常开闭的容器中的弹 簧,仪表和仪器中的发条等。这类弹簧既要求有较大的弹性,又要求有稳定的作用力 4)测量力和力矩的大小。例如测力器、弹簧秤中的弹簧等。这类弹簧要求有稳定的载荷 变形性能。 弹簧的载荷-变形曲线称为弹簧特性曲线,特性曲线的形式与弹簧的结构有关 按照所承受载荷的不同,弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。 按照弹簧的形状不同又可以分为螺旋弹簧、环形弹 簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。 1、等节距圆柱螺旋弹簧 此种圆截面簧丝的圆柱形弹簧结构简单,制造 方便。特性曲线呈线性,刚度稳定,应用最为广泛。 2、扭转圆柱螺旋弹簧 主要用于各种装置中的压 紧和蓄能。 3、圆锥螺旋弹簧 结构紧凑、稳定性好、多用于承受较大载 荷和减振其防共振能比不等节距圆柱螺旋g主 弹簧好。 4、碟形弹单簧 F
第十六章 弹簧设计 《机械设计基础》教案（机电专业 90 学时） 286 常要求在某变形范围内作用力变化不大。 3）储存和释放能量。例如自动机床的刀架自动返回装置中的弹簧，经常开闭的容器中的弹 簧，仪表和仪器中的发条等。这类弹簧既要求有较大的弹性，又要求有稳定的作用力。 4）测量力和力矩的大小。例如测力器、弹簧秤中的弹簧等。这类弹簧要求有稳定的载荷－ 变形性能。 弹簧的载荷－变形曲线称为弹簧特性曲线，特性曲线的形式与弹簧的结构有关。 按照所承受载荷的不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。 按照弹簧的形状不同又可以分为螺旋弹簧、环形弹 簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。 1、等节距圆柱螺旋弹簧 此种圆截面簧丝的圆柱形弹簧结构简单，制造 方便。特性曲线呈线性，刚度稳定，应用最为广泛。 2、扭转圆柱螺旋弹簧 主要用于各种装置中的压 紧和蓄能。 3、圆锥螺旋弹簧 结构紧凑、稳定性好、多用于承受较大载 荷和减振，其防共振能力比不等节距圆柱螺旋 弹簧好。 4、碟形弹簧
十六章弹簧设计 《机械设计基础》教案(机电专业90学时) 缓冲及减振能力强。采用不同的组合可能得到不同的特性曲线。常用于重型机械的缓冲及减 振装置 F 5、环形弹单簧 具有很高的消振能力,是最强力 的缓冲弹簧。常用在铁路车辆、飞机 着陆装置的缓冲装置中。 §16.2弹簧的材料、许用应力和制造 弹簧的材料和许用应力 弹簧在工作时常受到变载荷或冲击载荷的作用,为了保证弹簧能够持久可靠地工作,其材料 必须具有高的弹性极限和疲劳极限,同时应具有足够的韧性和塑性,以及良好的可热处理性。 弹簧材料及性能可以查阅相关手册、规范和标准(GB/T1239.6-92,GB4357-89)常用的弹 簧钢主要有 1、碳素弹簧钢 这种弹簧钢(例如65、70钢)的优点是价格便宜,原材料来源方便;缺点是弹性极限低, 多次重复变形后易失去弹性,并且不能在130C的温度下正常工作。 2、低锰弹簧钢 这种弹簧钢(如65Mn)与碳素弹簧钢相比,优点是淬透性较好和强度较高;缺点是淬火后 容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜,所以一般机械上常用于制造尺寸不大的弹簧,例如离 合器弹簧等。 3、硅锰弹簧钢 这种钢(例如60s2MnA)中因为加入了硅,所以可以显著提高弹性极限,并提高了回火稳 287
第十六章 弹簧设计 《机械设计基础》教案（机电专业 90 学时） 287 缓冲及减振能力强。采用不同的组合可能得到不同的特性曲线。常用于重型机械的缓冲及减 振装置。 5、环形弹簧 具有很高的消振能力，是最强力 的缓冲弹簧。常用在铁路车辆、飞机 着陆装置的缓冲装置中。 §16.2 弹簧的材料、许用应力和制造 一、弹簧的材料和许用应力 弹簧在工作时常受到变载荷或冲击载荷的作用，为了保证弹簧能够持久可靠地工作，其材料 必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。 弹簧材料及性能可以查阅相关手册、规范和标准（GB/T1239.6-92，GB4357-89）。常用的弹 簧钢主要有： 1、碳素弹簧钢 这种弹簧钢（例如 65、70 钢）的优点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低， 多次重复变形后易失去弹性，并且不能在 130ºC 的温度下正常工作。 2、低锰弹簧钢 这种弹簧钢（如 65Mn）与碳素弹簧钢相比，优点是淬透性较好和强度较高；缺点是淬火后 容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜，所以一般机械上常用于制造尺寸不大的弹簧，例如离 合器弹簧等。 3、硅锰弹簧钢 这种钢（例如 60Si2MnA）中因为加入了硅，所以可以显著提高弹性极限，并提高了回火稳
十六章弹簧设计 《机械设计基础》教案(机电专业90学时) 定性,因而可以在更高的温度下回火,从而得到良好的力学性能。硅锰弹簧钢在工业上得到了广 泛的应用一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。 4、铬钒钢 这种钢(例如50rⅥA)中加入钒的目的是细化组织,提高钢的强度和韧性。这种材料的耐 疲劳和抗冲击性能良好,并能在-40°℃~210C的温度下可靠的工作,但价格较贵。多用于要求 较髙的场合,如用于制造航空发动机调节系统中的弹簧。 此外,某些不锈钢和青铜等材料,具有耐腐蚀的特点,青铜还具有磁性和导电性,故常用于 制造化工设备中或工作于腐蚀介质中的弹簧。其缺点是不容易热处理,力学性能较差,所以在 般机械中很少采用。 选择材料时,应考虑到弹簧的用途、重要程度、使用条件(包括载荷性质、大小及循环特性, 工作持续时间,工作温度和周围介质情况等),加工、热处理和经济性等因素。同时,也要参照 现有设备中使用的弹簧,选作出较为合用的材料。 圆柱螺旋弹簧的制造及端部结构 为了便于使用,弹簧的端部-般会根据霱要做成各种各样的型式。囻柱螺旋弹簧的端部结构 型式及代号可以查阅GB12396-92。 螺旋弹簧的制造工艺包括:1)卷制;2)挂钩的制作或端面圈的精加工;3)热处理;4) 工艺试验及强压或喷丸处理。 卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径小于8~10mm的弹簧丝,冷 卷成弹簧后不再进行淬火处理,只进行回火处理以消除在卷制时产生的内应力;直径较大的弹簧 丝制作的强力弹簧则用热卷法,热卷时的温度依据弹簧钢丝直径的大小在800C~1000C的范 围内选择,卷制完成后需要在进行淬火和回火处理,热处理后的弹簧表面不应该岀现显著的脱碳 288
第十六章 弹簧设计 《机械设计基础》教案（机电专业 90 学时） 288 定性，因而可以在更高的温度下回火，从而得到良好的力学性能。硅锰弹簧钢在工业上得到了广 泛的应用一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。 4、铬钒钢 这种钢（例如 50CrVA）中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性。这种材料的耐 疲劳和抗冲击性能良好，并能在－40ºC～210ºC 的温度下可靠的工作，但价格较贵。多用于要求 较高的场合，如用于制造航空发动机调节系统中的弹簧。 此外，某些不锈钢和青铜等材料，具有耐腐蚀的特点，青铜还具有磁性和导电性，故常用于 制造化工设备中或工作于腐蚀介质中的弹簧。其缺点是不容易热处理，力学性能较差，所以在一 般机械中很少采用。 选择材料时，应考虑到弹簧的用途、重要程度、使用条件（包括载荷性质、大小及循环特性， 工作持续时间，工作温度和周围介质情况等），加工、热处理和经济性等因素。同时，也要参照 现有设备中使用的弹簧，选作出较为合用的材料。 二、圆柱螺旋弹簧的制造及端部结构 为了便于使用，弹簧的端部一般会根据需要做成各种各样的型式。圆柱螺旋弹簧的端部结构 型式及代号可以查阅 GB1239.6-92。 螺旋弹簧的制造工艺包括：1）卷制；2）挂钩的制作或端面圈的精加工；3）热处理；4） 工艺试验及强压或喷丸处理。 卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径小于 8～10mm 的弹簧丝，冷 卷成弹簧后不再进行淬火处理，只进行回火处理以消除在卷制时产生的内应力；直径较大的弹簧 丝制作的强力弹簧则用热卷法，热卷时的温度依据弹簧钢丝直径的大小在 800ºC～1000ºC 的范 围内选择，卷制完成后需要在进行淬火和回火处理，热处理后的弹簧表面不应该出现显著的脱碳 层
十六章弹簧设计 《机械设计基础》教案(机电专业90学时) 对于重要的压缩弹簧,为了保证两端面的承压面与其轴线垂直,应将端面圈在磨床上磨平。 此外,弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验, 以检验弹簧是否符合技术要求。弹簧的持久强度和抗冲击强度取决于弹簧丝的表面状况(如光洁 度、裂纹、伤痕等),表面脱碳会严重影响材料的性能。 为了提高承载能力,还可以在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理。强压处理是使弹簧在超 过极限载荷的作用下持续6~8h,以便在弹簧丝表层产生高应力区,产生塑变和有益的与工作应 力反向的残余应力,使弹簧在工作时的最大应力下降,从而提高弹簧的承载能力。强压处理后的 弹簧不允许再进行热处理,也不宜在较高温度(150℃~450°℃C)交变载荷及腐蚀介质中使用 喷丸处理是在弹簧热处理后,用钢丸或砂子高速喷射弹簧表面,使其表面受到冷作硬化,产 生有益的残余应力,改善弹簧表面质量、提高疲劳强度和冲击韧性的有效措施。实践证明:如果 使用适当,弹簧经喷丸处理后,可提高疲劳强度达50%。 §16.3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簣的设计计算 几何参数计算 普通圆柱螺旋弹簧的主要几何参数有 份 外径D、内径D、中径D2、弹簧丝直径d、 节距p、螺旋升角α、自由高度(压缩弹簧) 或长度(拉伸弹簧)H等,如图所示 其中螺旋角:a= arctan 对圆柱螺旋压缩弹簧一般应取在5°~9范围之内。旋向可以是右旋,也可以是左旋,如果 没有特殊要求一般都用右旋 其结构尺寸的计算可以参照教材或有关设计手册和规范进行,必须遵循弹簧尺寸系列 289
第十六章 弹簧设计 《机械设计基础》教案（机电专业 90 学时） 289 对于重要的压缩弹簧，为了保证两端面的承压面与其轴线垂直，应将端面圈在磨床上磨平。 此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验， 以检验弹簧是否符合技术要求。弹簧的持久强度和抗冲击强度取决于弹簧丝的表面状况（如光洁 度、裂纹、伤痕等），表面脱碳会严重影响材料的性能。 为了提高承载能力，还可以在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理。强压处理是使弹簧在超 过极限载荷的作用下持续 6～8h，以便在弹簧丝表层产生高应力区，产生塑变和有益的与工作应 力反向的残余应力，使弹簧在工作时的最大应力下降，从而提高弹簧的承载能力。强压处理后的 弹簧不允许再进行热处理，也不宜在较高温度（150ºC～450ºC）、交变载荷及腐蚀介质中使用。 喷丸处理是在弹簧热处理后，用钢丸或砂子高速喷射弹簧表面，使其表面受到冷作硬化，产 生有益的残余应力，改善弹簧表面质量、提高疲劳强度和冲击韧性的有效措施。实践证明：如果 使用适当，弹簧经喷丸处理后，可提高疲劳强度达 50％。 §16.3 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算 一、几何参数计算 普通圆柱螺旋弹簧的主要几何参数有： 外径 D、内径 D1、中径 D2、弹簧丝直径 d、 节距 p、螺旋升角α、自由高度（压缩弹簧） 或长度（拉伸弹簧）H0 等，如图所示。 其中螺旋角 ： 2 arctan D p = 对圆柱螺旋压缩弹簧一般应取在 5º～9º范围之内。旋向可以是右旋，也可以是左旋，如果 没有特殊要求一般都用右旋。 其结构尺寸的计算可以参照教材或有关设计手册和规范进行，必须遵循弹簧尺寸系列