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* * * 机械设计基础 第18章 弹簧 弹簧：是一般种弹性元件,具有多次重复地随外载荷的大小而作相应的弹性变形,卸载后又能立即恢复原状的特性。 1. 弹簧的功用 （1）存储能量; （2）吸收振动; （3）机械零件位置及作用力的控制; （4）测力弹簧。 18.1 弹簧的功用和类型 2. 弹簧的类型 按受载分: 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧 按形状分: 螺旋弹簧、板弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘簧、空气弹簧、橡胶弹簧等。 18.2 材料与制造 18.2.1 弹簧的材料 （1）高疲劳强度 ；（2）高弹性极限； （3）高冲击韧性（防止突然断裂） ；（4）很好的热处理性能。 ◆材料要求（一般认为受脉动载荷，即脉动应力） 弹簧按载荷分为三类： 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。 I类弹簧： 受变载荷作用次数106，或很重要的弹簧。 ◆选用材料的注意点： （1）使用条件（载荷大小、方向、循环特性、温度、工作介质等）；（2）功用；（3）重要程度。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。 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。 应用于受力较小又要求防腐蚀、防磁的场合。 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。 ◆常用材料及其使用性能（表18-1） ◆制造过程： ◆表面要求： 18.2.2 弹簧的制造 ◆强压处理： d＞8mm 热卷制：加热—卷制—淬火—回火 d＜8mm 冷卷制：卷制—低温回火 光洁、无裂纹、无伤痕 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。 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。 经强压处理可提高承载能力。 18.3 弹簧工作原理 18.3.1 特性曲线 四种典型类型 弹簧载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。 18.3.2 弹簧刚度 变刚度 变刚度 定刚度 定刚度 受变载荷或冲击载荷时，最好将弹簧设计成变刚度，随着载荷的增加弹簧刚度将越来越大。 18.3.3 等效弹簧 使用单个弹簧不能满足载荷、位移等要求时，可以采用组合弹簧（串联、并联）。 18.3.4 弹簧的变形能与阻尼 无摩擦，能量无损耗 有外部摩擦，消耗能量 如环形、蝶形、板弹簧 有内部摩擦，消耗能量 如非金属材料制弹簧 如圆柱螺旋弹簧 阻尼系数 18.4.1 强度计算 簧丝受力分析 切向力 法向力 扭 矩 弯 矩 ★弹簧指数（旋绕比） 其中D2为弹簧中径，d为簧丝直径 C大，弹簧刚度小，易发生抖动 C小，加工困难，簧丝内外侧应力悬殊，刚度大，材料利用率低 18.4 圆柱螺旋压缩弹簧 强度条件： （1）d 应符合标准直径 （2）选定d，查取[τT]，再 计算d，比较，差距大， 重新计算 （3）C在计算前应事先假定， 一般 C = 5 ~ 8 注意： 目的：确定弹簧直径D2和弹簧丝直径d 18.4.2 刚度计算 ds弧段上两端截面的 相对转角为dθ 两端截面的轴向位移为 积分后得 变换上式 弹簧刚度为 目的：确定弹簧的圈数n 18.4.3 压缩弹簧的稳定性问题 一般H0/D2≤3~5时不会出现失稳现象 取值与端部固定方式有关 均为回转端时≤2.6 均为固定端时≤5.3 一端固定，一端回转时≤3.7 解决措施： （1）加导向杆 （2）加导向套 （3）端面加工与轴心线垂直 （要求较高） 18.4.4 压缩弹簧的结构尺寸 压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距δ 。 支承圈或死圈：两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。 端部磨平----重要弹簧 端部不磨平---- 一般用途 压缩弹簧的端部结构 压缩弹簧自由长度H0 压缩弹簧的总圈数： n1 = n+(1.5~2.5) n为有效圈数 为使工作平稳，n1的尾数取1/2 H0=nδ+(n1+1)d H0=nδ+(n1-0.5)d 对于两端并紧磨平结构 两端并紧不磨平结构： 拉伸弹簧的结构