《机械设计》课程教学资源（PPT课件）第15章 弹簧

弹簧第十五章S 15-1 概述圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造S 15-2 ES 15-3 E圆柱螺旋弹簧的设计计算S15-4受变载荷圆柱螺旋弹簧的强度计算

第十五章 弹簧 §15-1 概述 §15-2 圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造 §15-3 圆柱螺旋弹簧的设计计算 §15-4 受变载荷圆柱螺旋弹簧的强度计算

S15-1 概述弹簧的功用！弹簧：一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。弹簧的主要功用有：控制机构的运动、缓冲和减振、储存能量、测力以及改变机器的自振频率等。二、弹簧的分类（详见表15-1）按弹簧承受的载荷分：拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弯曲弹簧按弹簧的形状分：板簧盘簧等螺旋弹簧环形弹簧碟形弹簧螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧

§15-1概述 §15-1 概 述 一、弹簧的功用 弹簧：一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大 弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。 二、弹簧的分类 按弹簧承受的载荷分： 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧 按弹簧的形状分： 螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在 一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。 弹簧的主要功用有：控制机构的运动、缓冲和减振、储存能量、测力 以及改变机器的自振频率等。 螺旋弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 板簧 盘簧等 （详见表15－1）

概述三、弹簧特性线和刚度弹簧特性线：是表示弹簧载荷和变形之间关系的曲线。弹簧刚度：弹簧产生单位变性所需要的载荷。在数值上，弹簧刚度等于弹簧特性线上某点的斜率。dF弹簧刚度CEda式中：F一弹簧所受的载荷（N）；A一弹簧的变性量（mm）。直线型特性线弹簧具有不变的刚度：非直线性特性线弹簧具有变刚度，称为3变刚度弹簧。弹簧特性线有：直线型、刚度渐增型、刚度渐减型或儿种的组合

三、弹簧特性线和刚度 弹簧特性线：是表示弹簧载荷和变形之间关系的曲线。 概述2 弹簧刚度：弹簧产生单位变性所需要的载荷。 在数值上，弹簧刚度等于弹簧特性线上某点的斜率。 弹簧特性线有：直线型、刚度渐 增型、刚度渐减型或几种的组合。 概 述 d dF 弹簧刚度 c = 式中：F－弹簧所受的载荷（N）； λ－弹簧的变性量（mm）。 直线型特性线弹簧具有不变的刚度； 非直线性特性线弹簧具有变刚度，称为 变刚度弹簧

概述四、弹簧变性能弹簧变性能：是指弹簧变形后所储存的能量。如加载曲线与卸载曲线不重合，则两者围成的面积，表示在弹簧变形过程中，因摩擦消耗的能量。摩擦消耗的能量越大，则弹簧的吸振能力越强。FAA卸载Ab)a)

四、弹簧变性能 弹簧变性能：是指弹簧变形后所储存的能量。 概述2 如加载曲线与卸载曲线不重合，则两者围成的面积，表示在弹簧变形过 程中，因摩擦消耗的能量。 摩擦消耗的能量越大，则弹簧的吸振能力越强。 概 述

$.15-2材料、许用应力及制造圆柱螺旋弹簧的结构、一、圆柱螺旋弹簧的结构ad)圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋压缩弹簧详细介绍详细介绍3

§15-2圆柱螺旋弹簧的结构材料 §15-2 圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造 制造1 一、圆柱螺旋弹簧的结构 圆柱螺旋压缩弹簧 圆柱螺旋拉伸弹簧 详细介绍 详细介绍

员柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造弹簧的材料及许用应力二、为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧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。1)碳素弹簧钢（如65、70钢)：价格便宜，但弹性极限低；2)合金弹簧钢低锰弹簧钢(如65Mn)：淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹；硅锰弹簧钢(如60Si2MnA)：弹性极限高，回火稳定性好；铬钒钢(如50CrVA)：面耐疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的场合。3）#特殊钢、铜合金和非金属材料等（详见表15一2）选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件（载荷性质、大小及循环特性、工作持续时间、工作温度等以及加工、热处理和经济性等因素

圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造 螺旋弹簧的结构材料制造2 二、弹簧的材料及许用应力 为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧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。 选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件(载荷性质、大小及循环特 性、工作持续时间、工作温度等)以及加工、热处理和经济性等因素。 1）碳素弹簧钢(如65、70钢)：价格便宜，但弹性极限低； 低锰弹簧钢(如65Mn)：淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹； 硅锰弹簧钢(如60Si2MnA)：弹性极限高，回火稳定性好； 铬钒钢(如50CrVA)：耐疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的 场合。 2）合金弹簧钢 3）特殊钢、铜合金和非金属材料等（详见表15－2）

圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造弹簧材料的许用应力与弹簧的类型、材料的力学性能、簧丝直径和载荷性质等有关，见表15一2。三、圆柱螺旋弹簧的制造螺旋弹簧的制造工艺包括：卷制一→挂钩的制作或端面圈的精加工→热处理一→工艺试验及强压处理。冷卷：用于簧丝直径d<8~10mm的弹簧。卷制分为：热卷：卷成后必须进行萍火、中温回火等处理。强压处理可以提高弹簧的承载能力

三、圆柱螺旋弹簧的制造 卷制→挂钩的制作或端面圈的精加工→热处理→工艺试验及强压处理。 螺旋弹簧的制造工艺包括： 圆柱螺旋弹簧的结构、材料、许用应力及制造 弹簧材料的许用应力与弹簧的类型、材料的力学性能、簧丝直径和载荷 性质等有关，见表15－2。 卷制分为： 冷卷：用于簧丝直径 d＜8～10mm的弹簧。 热卷：卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。 强压处理可以提高弹簧的承载能力。 螺旋弹簧的结构材料制造3

S 15-3圆柱螺旋弹簧的设计计算几何参数计算普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：HoH弹簧丝直径dH,H2中径D2H3内径 D1FFmaH外径D无初扭应力H旋绕比C=Dz/dAimitR节距t螺旋升角α有初扭应力Amin有效圈数nd总圈数ni自由高度或长度Hb)a)压缩弹簧拉伸弹簧

§15-3圆柱螺旋弹簧的设计计算1 一、几何参数计算 §15-3 圆柱螺旋弹簧的设计计算 普通圆柱螺旋弹 簧的主要几何尺寸有： 压缩弹簧 拉伸弹簧 外径 D 中径 D2 内径 D1 节距 t 螺旋升角  弹簧丝直径 d 有效圈数 n 总圈数 n1 自由高度或长度 H0 旋绕比 C＝D2 /d

圆柱螺旋弹簧的设计计算圆柱螺旋弹簧的几何尺寸公式见表15一6。圆柱螺旋弹簧的承载过程、在弹簧的工作图中，应绘制弹簧特性线描述弹簧的承载过程压缩弹簧特性线拉伸弹簧特性线Fmin一安装时弹簧所受的力，称为弹簧的最小载荷。Fmax一工作中弹簧所受的最大工作载荷。F一使簧丝内应力达到弹性极限的载荷，称为弹簧的极限载荷Fmin、Fmax、F,作用下弹簧的高度或长度分别用Hi、H2、H,表示。相应的变形量分别用min、Λmax入,表示。FFF显然有maxminMme0通常，取 Fmin=(0.1~0.5）Fmax;取Fmax≤0.8Fj

圆柱螺旋弹簧计算2 圆柱螺旋弹簧的设计计算 二、圆柱螺旋弹簧的承载过程 在弹簧的工作图中，应绘制弹簧特性线描述弹簧的承载过程。 压缩弹簧特性线 拉伸弹簧特性线 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸公式见表15－6。 Fmin－安装时弹簧所受的力，称为弹簧的最小载荷。 Fmax－工作中弹簧所受的最大工作载荷 。 Fj －使簧丝内应力达到弹性极限的载荷，称为弹簧的极限载荷。 Fmin、Fmax 、Fj 作用下弹簧的高度或长度分别用H1、H2、H3表示。相 应的变形量分别用λmin、λmax、λj 表示。 显然有 j F F Fj    = = max max min min 通常，取 Fmin=（0.1～0.5）Fmax； 取 Fmax≤ 0.8Fj

圆柱螺旋弹簧的设计计算220有初扭应力的拉伸弹簧的200初扭应力t.见图15一6。180160初拉力Fo由下式计算140nd3edw/120F1008D,8060三、豆强度计算4020■1.弹簧的受力分析1IC=D2/d圆柱螺旋弹簧受压或受拉时FD/2弹簧丝的截面上主要受到横向剪力F和扭矩T-FD2/2。下面以压缩弹簧承受轴向载荷的情况进行分析。FDT/dF

圆柱螺旋弹簧计算3 c D d F   2 3 0 8 = 圆柱螺旋弹簧的设计计算 三、强度计算 圆柱螺旋弹簧受压或受拉时， 弹簧丝的截面上主要受到横向剪力 F 和扭矩T=FD2 / 2。下面以压缩弹 簧承受轴向载荷的情况进行分析。 F D/2 F T=FD 2 d 1. 弹簧的受力分析 有初扭应力的拉伸弹簧的 初扭应力 τc 见图15－6。 初拉力F0由下式计算