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主 讲 吴 昌 林 第十一章 弹簧设计 一、概述 1. 弹簧的基本类型 圆柱螺旋 拉伸弹簧 圆柱螺旋 压缩弹簧 截锥螺旋 压缩弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 圆柱螺旋 扭转弹簧 涡卷形弹簧 板弹簧 圆柱螺旋 拉伸弹簧 圆柱螺旋 压缩弹簧 圆柱螺旋 扭转弹簧 截锥螺旋 压缩弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 涡卷形弹簧 板弹簧 拉伸 压缩 扭转 弯曲 螺旋形 其他 形状 受载 2. 弹簧的功用 吸振、缓冲 完成预定的运动 储存或释放能量 测量力的装置 3. 弹簧的材料 弹簧经常受到交变和冲击载荷 (1) 要求 经久不变的弹力 高的静强度和疲劳强度 耐冲击 良好的塑性变形 热处理性能好 (2) 常用材料 碳素弹簧钢： 适于做小的或要求不高的弹簧 合金弹簧钢； 热处理性能好、用于受载较大的弹簧 不锈钢： 耐腐蚀 按载荷性质 弹簧分成三类 I 类： II 类： III 类： 承受变载、冲击 作用次数 承受变载、冲击 作用次数 承受变载或不太重要的弹簧 作用次数 非金属材料 (橡胶弹簧等) 二、圆柱螺旋拉、压弹簧的设计 1. 弹簧的结构 (1) 压缩弹簧 两端面圈并紧磨平 支承端面与轴线垂直 LI、LII型： 两端面圈并紧不磨平 (2) 拉伸弹簧 LVII型： YI型： YIII型： 挂钩可转任意方向、用于受力较大场合 挂钩过渡处弯曲应力大、簧丝 YI型 YIII型 LI型 LII型 LVII型 2. 弹簧的几何尺寸 簧丝直径 外径 内径 中径 节距 螺旋升角 压簧自由高度 有效圈数 总圈数 拉簧长度 弹簧指数 衡量弹簧曲率重要参数 ( 或 ) 弹簧软、易变形 容易绕制 产生颤动、不稳定 通常取 或按表选 3. 弹簧的特性曲线 (1) 压缩弹簧 弹簧所受载荷与变形的关系曲线 自由高度 未受载 受 高度 变形 受 高度 变形 受 高度 变形 产生的 产生的应力达到材料剪切弹性极限 工作行程 弹簧刚度 (2) 拉伸弹簧 自由高度 未受载 受 高度 变形 受 高度 变形 受 高度 变形 工作行程 弹簧刚度 无初应力的弹簧 有初应力的弹簧 绕制时各圈间有一定的压紧力， 簧丝中产生一定的预紧力 F0 ， 当工作载荷大于 F0 时，弹簧才能伸长 为产生假想变形量 x 的初拉力 F0 弹簧刚度 (3) 与 非线性关系时的特性曲线 上部： 小 变形难( 大) 下部： 大 变形易 ( 小) 受载后，下部先压紧，上部再压缩 4. 弹簧的设计准则 满足强度条件 满足刚度条件 满足稳定性条件 满足强度条件 满足刚度条件 拉簧 压簧 强度条件 刚度条件 簧丝直径 d 弹簧圈数 n 稳定性验算 (1) 强度条件 弹簧剖面的应力 叠加后剪切应力最大值 考虑弹簧曲率及螺旋升角的影响最大剪切应力 最大扭剪应力 剪切力 剪应力 转矩 在靠近弹簧 轴线的一侧 簧丝受扭是曲杆受扭 内侧单位长度扭转变形大 曲度系数 强度条件式 校核式： 设计式； (2) 刚度条件 外载 F 所做功 ＝ 弹簧储存变形能 由材料力学知 转矩 极惯性矩 剪切弹性模量 受扭长度 弹簧变形量： 弹簧刚度： 计算工作圈数： 应圆整为0.5的整数倍 且大于2 (3) 稳定性条件 (对压缩弹簧) 两端固定 b5.3 一端固定一端自由 b3.7 两端自由 b2.6 未满足上述要求，则需要进行稳定性验算 临界载荷 不稳定系数 高径比 5. 弹簧的设计步骤 (1) 设计要求 已知： 尺寸限制和工况 设计： 其他尺寸 绘制工作图 最大工作载荷 最小工作载荷 工作行程 簧丝直径 工作圈数 具体做法 由强度条件确定簧丝直径 选 预选 比较 和 由刚度条件确定弹簧工作圈数 一般 为0.5的整数倍，且大于2 压缩弹簧的稳定性验算 (2) 实例 1) 初选 C 初选弹簧指数 C 7 5.2 6 设计压簧，II类方式工作，端部并紧磨平 初选簧丝直径 d 3.5 4.5 4 碳素弹簧钢丝 C级 1570 1520 1520 选簧丝抗拉强度 许用剪切应力 628 608 608 曲度系数 K 1.21 1.3 1.25 计算簧丝直径 4.15 3.77 3.97 不符 取4.5 取4 设计内容