Transcript 压缩弹簧
第15章 15.1 概 弹 簧* 述 15.2 圆柱螺旋弹簧 15.3 弹簧常用材料 15.1 概述 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大 的弹性变形，弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于： （1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制 弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。 （2）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧， 以及各种缓冲器用的弹簧等。 （3）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。 （4）测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。 按照所承受的载荷不同 类 型 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 按照所承受的载荷不同 类 型 按照弹簧的形状不同 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧 螺旋弹簧 环形弹簧 板 簧 盘 簧 表15－1中列出了弹簧的基本类型。 环形弹簧 板 簧 表15－1 按载荷分 按形状分 拉伸 弹簧的基本类型 压缩 扭转 圆柱螺旋 圆柱螺旋 拉伸弹簧 压缩弹簧 圆锥螺旋 压缩弹簧 圆柱螺旋 扭转弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 蜗卷形弹簧 弯曲 p 螺旋形 其他形 — 板簧 15.2 圆柱螺旋弹簧 在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。 15.2.1 圆柱拉、压螺旋弹簧的结构 圆柱螺旋弹簧分压缩弹簧和拉伸弹簧。 压缩弹簧如图15-1所示。通常其两端的端面圈并紧 并磨平(代号：YⅠ)。 还有一种两个端面圈并紧但不磨平(代号：YⅢ)。磨 平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。 (b)YII型 (a)YI型 图15－1 压缩弹簧 拉伸弹簧如图15-2所示，其中a和b为半圆形钩和圆环 钩；c为可调式挂钩，用于受力较大时。 (a)LI型 (b)LⅡ型 图15－2 拉伸弹簧 (c)LⅢ型 15.2.2 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸 圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：弹簧丝直径d、外 径 D、内径 D1、中径 D2、节距p、螺旋升角、自由高度 （压缩弹簧）或长度（拉伸弹簧）H0。此外还有有限圈数 n，总圈数nl。 D D2 D （a） （b） 图15－3 圆柱形拉压螺旋弹簧 d D1 H0 p D1 d H0 p D2 表15－2 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式 名称与代号 压缩螺旋弹簧 拉伸螺旋弹簧 弹簧丝直径d 由强度计算公式确定 弹簧中径D2 D2=Cd 弹簧内径D1 D1= D2－d 弹簧外径D D1= D2＋d 弹簧指数C 螺旋升角 有效圈数n 总圈数n1 自由高度或长度H0 C= D2/d =arctan p/ D2 两端圈磨平n1=n+1.5时，H0=np+d n1=n+2时， H0=np+1.5d n1=n+2.5时, H0=np+2d 两端圈不磨平n1=n+2时， H0=np+3d n1=n+2.5时, H0=np+3.5d 节距p P=d+ 展开长度L 一般n>2 压缩：n1=n+(2~2.5)(冷卷)；拉伸：n1=n n1=n+(1.5~2)(YII型热卷)；n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈数，推荐用1/2圈 Hn= H0－ n 压缩弹簧高径比b 对压缩弹簧，推荐 ＝5°～9° 由变形条件计算确定 工作高度或长度H0 间距 一般4<C<16 =p-d LI型H0=(n+1)d+D1 LII型H0=(n+1)d+2D1 LIII型H0=(n+1.5)d+2D1 H n H 0 n , n为变形量 P=d =0 b=H0/D2 L= D2n1/cos L= D2n+钩部展开长度 定义弹簧指数C为弹簧中径D2和簧丝直径d的比值， 即：C=D2/d。通常C值在4~16范围内，可按表15-3选取。 弹簧丝直径d相同时，C值小则弹簧中径D2也小，其刚度 较大；反之，则刚度较小。 表 15-3 圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C 弹簧直径 0.2~0.4 d/mm C 7~14 0.5~1 1.1~2.2 2.5~6 7~16 18~42 5~12 5~10 4~10 4~8 4~6 15.2.3 圆柱螺旋弹簧的特性曲线 弹簧应在弹性极限内工作，不允许有塑性变形。弹簧 所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。 压缩螺旋弹簧的特性曲线如图15－4所示。 d D2 D p D1 H0为弹簧未受载时的自由高 度； Fmin为最小工作载荷，它是使 弹簧处于安装位置的初始载荷； （a） H0 H1 1 在Fmin的作用下，弹簧从自由 高度H0被压缩到H1，相应的弹簧 H2 压缩变形量为min； Hlim Fmax 在弹簧的最大工作载荷Fmax作 F Flim 用下，弹簧的压缩变形量增至 （b） Fmin U max。 min h 图中Flim为弹簧的极限载荷， max 在其作用下，弹簧高度为Hlim， 变形量为lim，弹簧丝应力达到 了材料的弹性极限。此处，图中 图15－4 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图 的h=max-min，称为弹簧的工作 行程。 lim 拉伸螺旋弹簧的特性 曲线如图15－15所示。按 F 卷绕方法的不同，拉伸弹 簧分为无初应力和有初应 力两种。 F （a） H0 H1 H2 Hlim F F Fmax min U 无初应力 min h Flim 无初应力的拉伸弹簧其 特性曲线与压缩弹簧的特性 （b） 曲线相同：有初应力的拉伸 弹簧的特性曲线，如图15-5c 所示，有一段假想的变形量 F Fmin Fmax Flim 有初应力 F0 X，相应的初拉力F0，为克 （c） U x h 服这段假想变形量使弹簧开 始变形所需的初拉力，当工 作载荷大于F0时，弹簧才开 图15－5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线 始伸长。 max lim min max lim 对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为 Fmin0.2Flim； 对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0； 弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取Fmax0.8Flim 因此，为保持弹簧的线性特性，弹簧的工作变形量应 取在（0.2~0.8）lim范围。 15.3 弹簧常用材料 常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈 钢和铜合金材料以及非金属材料。 选用材料的根据:弹簧的功用、载荷大小、载荷性质 及循环特性、工作强度、周围介质以及重要程度。 弹簧常用材料的性能和许用应力见表15－4。 表15－4 弹簧材料和许用应力 类 别 牌号 压缩弹簧许用剪切应 力[τ]/MPa Ⅰ类 钢 丝 Ⅱ类 许用弯曲应力 [σb]/MPa Ⅲ类 Ⅰ类 Ⅱ类 0.5 σb (0.6~ 0.68) σb 0.8 σb 0.8 σb 710 碳素弹簧钢丝 琴钢丝 (0.3~0 (0.38 .38) ~0.45) σb σb 油淬火-回火 碳素弹簧钢丝 (0.35~ 0.4) σb (0.4~ 0.47) σb 0.55 σb (0.6~ 0.68) σb 65Mn 340 455 570 570 590 740 740 925 50CrVA 65Si2MnWA 60Si2CrVA 560 745 931 1167 30W4Cr2VA 442 588 735 735 弹性 模量 G/MPa E/MPa 推荐 使用 温度 /℃ 特性及用途 －40 ~120 强度高，性能好，适 用于做小弹簧，如安 全阀弹簧，或要求不 高的大弹簧 45~50 －40 ~200 弹性好，回火稳定性 好。易脱碳、用于受 大载荷的弹簧， 60Si2Mn可做汽车拖 拉机弹簧， 60Si2MnA可做机车 缓冲弹簧 45~50 －40 ~210 用做截面大高应力的 弹簧，亦用于变载荷 高温作用的弹簧 47~52 －40 250 强度高，耐高温，耐 冲击，弹性好 43~47 －40 ~350 高温时强度高，淬透 性好 推荐硬 度HRC － 60Si2Mn 60Si2MnA 445 切变 模量 920 79 × 103 206 × 103