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* 第18章 弹 簧 §18-1 弹簧的功用和类型 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 §18-5 其他弹簧简介 §18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计 工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形， 在机械设备中被广泛用作弹性元件。 功用： 1. 控制机构运动或零件的位置; 如凸轮机构、离合器、阀门等； §18-1 弹簧的功用和类型 3. 存储能量; 如钟表仪器中的弹簧； 4. 测量力的大小 。如弹簧秤中的弹簧 螺旋 弹簧 圆柱形 截锥形 按形状分 按受载分 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 类型： 分类 2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧； 本章内容 分类 螺旋弹簧 圆柱形 截锥形 按形状分 按受载分 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 环形弹簧 平面涡圈弹簧 仪表中储能用 板弹簧 碟形弹簧 设计：潘存云 设计：潘存云 设计：潘存云 T 一、弹簧的应力 已知条件如图。 §18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形 D2 d T α F F 截面受力： 剪切应力： 剪切应力： F F τ’ D2 /2 弹簧轴线 d D2 /2 弹簧轴线 d τ” F τ” τ’ τ D2 /2 弹簧轴线 d 设计：潘存云 设计：潘存云 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 C=D2 /2 曲度系数 K 3 4 5 6 7 8 20 10 12 14 16 9 18 C----旋绕比，或弹簧指数。 ----弹簧的曲度系数 强度条件： 截面总切应力： d τ” τ’ τ 未考虑簧丝曲率的应力 d τ” τ’ τ 设计公式： 其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得 精确分析可得如下公式： 设计：潘存云 设计：潘存云 二、弹簧的变形 dφ 在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形λ，取微段分析 D2/2 微段轴向变形量dλ： C↓ → k↑ C值过小→ 制造困难，内侧应力↑； 取值范围：C=4~16 C值过大→ 弹簧容易颤动。 dλ D2 F λ F n为有效圈数 钢：G=8×104 Mpa, 青铜：G=4×104 Mpa G--材料的切变模量： 根据材料力学有关圆柱 螺旋弹簧变形的计算公式 T T O’ ds O 设计：潘存云 一、弹簧的制造 §18-3 弹簧的制造、材料和许用应力 二、弹簧的材料 制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。 冷卷：d10 mm 热卷：d≥ 10 mm → 低温回火，消除应力 → 淬火、回火 经强压处理可提高承载能力。 强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。 要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、 塑性和良好的热处理性能。 材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。 碳素弹簧钢：含碳量在0.6~0.9%之间，如65、70、85 合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。 有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强 度，适宜的韧性和塑性。 缺点：当d12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的 弹簧。 优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高 的弹簧。 选用原则： 充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。 三、弹簧的许用应力 弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等 弹簧按载荷分为三类： I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。 II类弹簧：受变载荷作用次数在103 ~ 105 ，或受冲击 载荷的弹 簧，或受静载荷的重要弹簧。 III类弹簧：受变载荷作用次数在103 ，或受静载荷的 弹簧。 表18—1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力 材 料 名 称 牌号 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 碳素弹簧 钢丝Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 60Si1Mn 480 640 800 –40~200 45~50HR