彈簧設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)課件

彈簧設(shè)計(jì)目錄

一彈簧概述

二圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造、材料及許用應(yīng)力五其它彈簧簡介三圓柱螺旋拉壓彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

四圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算工作特點(diǎn)：彈簧在外力作用下能產(chǎn)生較大的彈性變形，在機(jī)械設(shè)備中被廣泛用作彈性元件。功用：1.

控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或零件的位置;

如凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門等；一彈簧的功用和類型

3.

存儲(chǔ)能量;

如鐘表儀器中的彈簧；4.

測量力的大??；如彈簧秤中的彈簧螺旋彈簧

圓柱形

截錐形

按形狀分

按受載分拉伸彈簧壓縮彈簧扭轉(zhuǎn)彈簧5.改變系統(tǒng)的自振頻率。分類2.

緩沖吸振;

如車輛彈簧和各種緩沖器中的彈簧；二圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、制造方法、材料及許用應(yīng)力一、圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)形式壓縮彈簧在自由狀態(tài)下，各圈之間留有一定間距δ。δ支承圈或死圈----兩端有3/4~5/4圈并緊，以使彈簧站立平直，這部分不參與變形。不磨平磨平端部磨平----重要彈簧端部不磨平----一般用途磨平長度不小于3/4圈，端部厚度近似為d/4d/4壓縮彈簧的總?cè)?shù)：n1=n+(1.5~2.5)為使工作平穩(wěn)，n1的尾數(shù)取1/2變形用n為有效圈數(shù)1、圓柱螺旋壓縮彈簧2、拉伸彈簧a)各圈相互并緊δ=0；b)制作完成后具有初拉力；c)端部做有拉鉤，以便安裝和加載。拉鉤形式：半圓鉤環(huán)型、圓鉤環(huán)型、

轉(zhuǎn)鉤、可調(diào)轉(zhuǎn)鉤。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算與壓縮彈簧相同。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、但彎曲應(yīng)力大。應(yīng)用于中小載荷與不重要的場合。特點(diǎn)：彎曲應(yīng)力小。適用于變載荷的場，但成本較高。二、彈簧的制造制造過程：卷繞、端面加工(壓簧)或拉鉤制作（拉簧或扭簧）、熱處理和工藝性試驗(yàn)。冷卷：d<10

mm熱卷：d≥10

mm，卷制溫度：800~1000℃

→

低溫回火，消除應(yīng)力→淬火、回火強(qiáng)壓處理：將彈簧預(yù)先壓縮到超過材料的屈服極限，并保持一定時(shí)間后卸載，使簧絲表面層產(chǎn)生與工作應(yīng)力相反的殘余應(yīng)力，受載時(shí)可抵消一部分工作應(yīng)力?！鴮?duì)于重要壓縮彈簧，為了保證承載面與軸線垂直，端部應(yīng)磨平

經(jīng)強(qiáng)壓處理可提高承載能力。▲拉伸彈簧，為了便于聯(lián)接與加載，兩端制有拉構(gòu)。

工藝試驗(yàn)包括：耐沖擊、疲勞等試驗(yàn)。選用原則：

充分考慮載荷條件（載荷的大小及性質(zhì)、工作溫度和周圍介質(zhì)的情況）、功用及經(jīng)濟(jì)性等因素。一般應(yīng)優(yōu)先采用碳素碳簧鋼絲。2、彈簧的許用應(yīng)力彈簧的許用應(yīng)力主要取決材料品質(zhì)、熱處理方法、載荷性質(zhì)、彈簧的工作條件和重要程度，以及簧絲的尺寸等彈簧按載荷分為三類：I類彈簧：

受變載荷作用次數(shù)>106，或很重要的彈簧。II類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在103~105，或受沖擊

載荷的彈簧，或受靜載荷的重要彈簧。III類彈簧：受變載荷作用次數(shù)在<103，或受靜載荷的彈簧。在選取材料和確定許用材料試,如下情況應(yīng)適當(dāng)調(diào)整A對(duì)重要彈簧,其損壞對(duì)整個(gè)機(jī)器有重大影響時(shí),許用應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)降低B經(jīng)強(qiáng)壓處理的彈簧,能提高其疲勞極限,對(duì)改善載荷下的松弛有明顯效果,可是適當(dāng)提高許用應(yīng)力C經(jīng)噴丸處理的彈簧,能適當(dāng)提高疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命,其許用應(yīng)力可提高20%D工作溫度超過60°c時(shí)應(yīng)對(duì)其切變模量進(jìn)行修正,其修正公式Gt=Kt*GG常溫下的切變模量Gt工作溫度下的切變模量Kt溫度修正系數(shù)潘存云教授研制表16—1螺旋彈簧的常用材料和許用應(yīng)力材料名稱牌號(hào)65、700.3σB0.4σB0.5σB–40~120

碳素彈簧鋼絲Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ

60Si1Mn480640800–40~200

45~50HRC合金彈簧鋼絲Ⅰ類彈簧[τI]青銅絲Ⅱ類彈簧[τII]Ⅲ類彈簧[τIII]推薦使用溫度℃

推薦硬度范圍特性及用途強(qiáng)度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只適用于小彈簧。50CrVA450600750–40~210

45~50HRC

4C40~300

48~53HRC

QSi3-1270360450

QSn4-3270360450–40~120

90~100HBS彈性和回火穩(wěn)定性好，易脫碳，用于制造受重載的彈簧。有高的疲勞極限，彈性、淬透性和回火穩(wěn)定性好，常用于承受變載的彈簧耐腐蝕，耐高溫，適用于做較大的彈簧耐腐蝕，防磁好許用切應(yīng)力/MPa彈簧電鍍相關(guān)資料彈簧電鍍相關(guān)資料圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計(jì)算計(jì)算公式壓縮彈簧拉伸彈簧參數(shù)名稱及代號(hào)中徑DD=Cd取標(biāo)準(zhǔn)值壓縮彈簧廠細(xì)比bb=H0/D2b在1~5.3的范圍選取自由高度或長度H0有效圈數(shù)n備注Lh為鉤環(huán)展開長度兩端并緊，磨平；H0≈pn+(1.5~2)d兩端并緊，不磨平；H0≈pn+(3~3.5)dGd8(Fmax-F0)n=---------λmax

單位：mm內(nèi)徑D1D1=D-d旋繞比CC=D/d外徑D2D2=D+dH0

=nd+HhHn

=H0+λnHn

=H0+λn

λn---工作變形量n〉2有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧工作高度或長度H1H1…….H1Gd8FmaxC3n=---------λmax

續(xù)表圓柱螺旋彈簧幾何尺寸計(jì)算

計(jì)算公式壓縮彈簧拉伸彈簧參數(shù)名稱及代號(hào)總?cè)?shù)n1節(jié)距pp=(0.28~0.5)Dp=d軸向間距δδ=p-d展開長度L螺旋角α

質(zhì)量ms備注拉伸彈簧n1尾數(shù)為1/4、1/2、3/4、整圈，推薦用1/2圈Lh為鉤環(huán)展開長度對(duì)壓縮螺旋彈簧，推薦用α=5?~9?

γ為材料的密度，對(duì)各種鋼，γ=7700kg/m3;對(duì)鈹青銅，γ=8100kg/m3n1=n冷卷：

n1=n+(2~2.5)YII型熱卷：n1=n+(1.5~2)πDn1cosαL=-----α=arctan(p/πD)

L≈πDn+Lh

πd24ms=----Lγ

單位：mm潘存云教授研制二、彈簧的特性曲線特性曲線--載荷—變形曲線壓縮彈簧的特性曲線Fλ1、壓縮彈簧的特性曲線F1F2Flim潘存云教授研制2、拉伸彈簧的特性曲線Fλa)沒有預(yù)應(yīng)力特性曲線通過坐標(biāo)原點(diǎn)FminFminFmaxFmaxFlimFlimλminFminλmaxFmaxλlimFlim潘存云教授研制λminFminλmaxFmaxFlimλlim特性曲線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)。FλF0F0F02、拉伸彈簧的特性曲線b)有預(yù)應(yīng)力

若工作載荷小于克服預(yù)應(yīng)力所需的初拉力F0，則彈簧不會(huì)變形；只有當(dāng)F>F0時(shí)彈簧才開始變形。FminFminFmaxFmaxFlimFlimD2/2A-ABBM=Tsinα

F’故截面B-B上的載荷可近似取為：FFF”彈簧受軸向載荷F時(shí)，作用在軸向截面A-A上的力有：扭矩：

T=F·D2/2軸向力：

F在法面B-B上的力有：橫向力:F”軸向力:F’彎矩：M=Tsinα扭矩：∵

α=5?~9?

∴sinα≈0,cosα≈1扭矩：

T’=F·D2/2FTdB-BAA=Fcosα=FsinαTT’=Tcosα橫向力：Fα三、彈簧受載時(shí)的應(yīng)力與變形1、簧絲受力分析αT’FT’=Tcosα

潘存云教授研制C----旋繞比，或彈簧指數(shù)。dτF

τF

τ∑

dKτT未考慮簧絲曲率的應(yīng)力

由于0.5/C遠(yuǎn)小于1，故由F引起的剪切應(yīng)力可忽略。

若考慮螺旋升角和簧絲曲率對(duì)應(yīng)力集中的影響，實(shí)際應(yīng)力分布與理論分析有差別。D(min)

0.2~0.40.45~11.1~2.22.5~67~1618~42

C=D2/d

7~145~125~104~94~84~6常用旋繞比C

實(shí)踐證明：彈簧內(nèi)側(cè)m點(diǎn)最容易產(chǎn)生破壞。mm1.61.51.41.31.21.11.0C=D2/2曲度系數(shù)K3456782010121416918----彈簧的曲度系數(shù)強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)公式：其值可直接查表下表可得引入系數(shù)K來補(bǔ)償螺旋升角和簧絲曲率的影響，得：四、彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算步驟設(shè)計(jì)要求：有足夠的強(qiáng)度符合載荷---變形曲線的要求（剛度要求）不發(fā)生側(cè)彎(失穩(wěn))已知條件：最大工作載荷Fmax和相應(yīng)的變形λmax，其它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）計(jì)算步驟：1)選擇彈簧材料及結(jié)構(gòu)形式；3)根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應(yīng)力；4)試算簧絲直徑：2)

選擇旋繞比C，通?？扇≈5~8，并算出補(bǔ)償系數(shù)K值；5)

根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧：對(duì)于壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧：

6)

檢查D2、D1、H0是否符合安裝要求等;7)

驗(yàn)算：疲勞強(qiáng)度、強(qiáng)度驗(yàn)算振動(dòng)驗(yàn)算穩(wěn)定性驗(yàn)算

①強(qiáng)度校核：▲循環(huán)次數(shù)

N>103

疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度校核;

▲循環(huán)次數(shù)

N≤103

靜強(qiáng)度校核;FlimFOλλ2λ1τOtD2Fa)疲勞強(qiáng)度校核F1--安裝載荷；λ1—預(yù)壓變形量；F2—最大載荷；λ2—最大變形量；強(qiáng)度條件：F1F2τminτmax當(dāng)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算及材力學(xué)性能數(shù)據(jù)精確性高時(shí)，?。?/p>

SF=1.3~1.7；

當(dāng)精確性低時(shí)，?。?/p>

SF=1.8~2.2。τ0的含義按下頁表選取FFb)靜強(qiáng)度校核強(qiáng)度條件：變載荷作用次數(shù)N104105106107

τ0

0.45σB0.35σB0.33σB0.30σB

彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)極限τ0

當(dāng)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算及材力學(xué)性能數(shù)據(jù)精確性高時(shí)，?。?/p>

SS=1.3~1.7；當(dāng)精確性低時(shí)，?。?/p>

SS=1.8~2.2。②振動(dòng)驗(yàn)算

對(duì)于承受變載荷的彈簧，當(dāng)加載頻率很高時(shí)，容易引起彈簧的諧振而導(dǎo)致彈簧破壞。因此要進(jìn)行振動(dòng)驗(yàn)算，以保證工作頻率遠(yuǎn)低于基本自振頻率。圓柱螺旋彈簧的基本自振頻率為：將kF和mS代入后，可得：其中彈簧剛度：彈簧質(zhì)量系數(shù)：

為避免彈簧發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)，要求：

當(dāng)不能滿足以上要求時(shí)，應(yīng)重新設(shè)計(jì)，增大kF或減小mS。潘存云教授研制失穩(wěn)當(dāng)b大于許用值時(shí)，彈簧工作時(shí)會(huì)彎曲而失穩(wěn)。高徑比：

b=H0/D2<5.3兩端固定的彈簧<3.7一端固定，一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)<2.6兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)③穩(wěn)定性驗(yàn)算穩(wěn)定條件：Fc=CukFH0>Fmax

其中：Fc

--穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷；

Cu—不穩(wěn)定系數(shù)；

Cu2468100.80.60.40.20b=H0/D2兩端固定兩端回轉(zhuǎn)一端固定一端回轉(zhuǎn)加裝導(dǎo)向桿加裝導(dǎo)向套失穩(wěn)注意：導(dǎo)桿、導(dǎo)套與彈簧之間的間隙不能太大，工作時(shí)需加潤滑油。▲內(nèi)部加裝導(dǎo)向桿；▲或外部加導(dǎo)向套。

若Fc<Fmax，則要重新選取參數(shù)，以保證彈簧的穩(wěn)定性。如果受條件限制，不能改變參數(shù)時(shí)，可采取如下措施：中徑D

≤55~10>10~18>10~30>30~50>50~80>80~120>120~150間隙C

0.61234567導(dǎo)桿、導(dǎo)套與彈簧間的直徑間隙潘存云教授研制一、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):特點(diǎn)：外形和拉壓彈簧相似，但承受力矩載荷。四

圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

扭轉(zhuǎn)彈簧的軸向長度：H0=n(d+δ0)+2Hhn----有效圈數(shù)；δ0NI型NIV型NIII型NII型H0TTHhδ0--軸向間距，一般取δ0=0.1~0.5mm；dd----簧絲直徑;2Hh----掛鉤長度;二、扭轉(zhuǎn)彈簧的特性曲線TT

在材料的彈性極限內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧的載荷(扭矩)與變形(轉(zhuǎn)角)----特性曲線也是呈線性變化。TφTlim、φlim

----極限工作扭轉(zhuǎn)及極限轉(zhuǎn)角;

Tmax、φmax

--最大工作扭轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)角;Tmin、φmin

--最小工作扭轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)角;一般?。篢min=(0.1~0.5)Tmax。應(yīng)用實(shí)例：用于壓緊和儲(chǔ)能，如門的自動(dòng)復(fù)位、電機(jī)中保持電刷的接觸壓力等。TTφ

φlimTlimTmaxφmaxTminφmin潘存云教授研制強(qiáng)度條件：扭轉(zhuǎn)變形：W----截面系數(shù)[σ]≈1.25[τ]E----材料彈性模量，I----簧絲截面慣性矩，n----彈簧有效圈數(shù)，D2----彈簧中徑。三、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的計(jì)算在扭矩T作用下，簧絲任意截面B-B內(nèi)的載荷為：彎矩：M=Tcosα因?yàn)棣梁苄?，則可認(rèn)為扭簧只承受彎矩：M≈T扭矩：T’=TsinαMMTTφT’BBαMTD2剛度：對(duì)于長臂扭轉(zhuǎn)彈簧，還要考慮扭臂的變形，此時(shí)1）對(duì)于精度高的扭轉(zhuǎn)彈簧，圈與圈之間應(yīng)留有間隙，以免載荷作用下，因摩擦而影響其特性曲線。2）扭轉(zhuǎn)彈簧的旋向應(yīng)與外加力矩一致。彈簧內(nèi)側(cè)的最大工作應(yīng)力（壓）與卷繞產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（拉）反向（抵消），從而提高承載能力。3）心軸和彈簧內(nèi)徑之間必須留有間隙。避免因D2減小而抱軸。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：已知條件：最大工作載荷Fmax和相應(yīng)的變形λmax，其它要求（如工作溫度、安裝空間的限制等）設(shè)計(jì)確定：彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長度等。四、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)步驟計(jì)算步驟：1)選擇彈簧材料及許用應(yīng)力，以及扭簧的結(jié)構(gòu)形式；3)根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，由C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應(yīng)力；4)試算簧絲直徑d’：2)

選擇旋繞比C，通?？扇≈5~8，并算出補(bǔ)償系數(shù)K1值；檢查尺寸是否合適。5)

根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：6）計(jì)算彈簧絲長度：環(huán)形彈簧潘存云教授研制板簧潘存云教授研制五其他彈簧簡介

渦卷彈簧碟形彈簧潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1234OFy/t一、碟形彈簧結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：用鋼板沖制而成，外形象碟子。往往將多個(gè)組合使用載荷、變形：軸向力沿周邊均勻分布、h變小而產(chǎn)生軸向變形。特性曲線：呈非線性，變形取決于比值h/t變化。重要特性：當(dāng)h/t≈1.5時(shí)，中間一段接近于水平。利用這一特性可在一定變形范圍內(nèi)保持載荷的恒定。例如在精密儀器中，可利用碟形彈簧使軸承端面的摩擦力不受溫度變化的影響；在密封墊圈中利用這一特性使密封性能不受溫度的影響。F簧片變平點(diǎn)D1thDht=1.5ht=2.75ht=0.5潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制Fλ加載卸載碟形彈簧組合形式對(duì)合式組合彈簧----變形量增加，承載力不變。由于簧片之間存在摩擦損失，導(dǎo)致加載和卸載特性曲線不一樣?！?/p>

吸振能力↑復(fù)合式彈簧：疊合式組合彈簧----摩擦阻尼大，特別適用于緩沖和吸振在變形量不變時(shí)，承載力大大增加。摩擦消耗的能量-----陰影面積可同時(shí)增加變形量和承載