弹簧设计参考.docx

1、弹簧设计参考弹簧参考资料12-1概述 弹簧是常用的弹性零件，它在受载后产生较大的弹性变形，吸收并储存能量。 弹簧有以下的主要功能：(1)减振和缓冲。如缓冲器，车辆的缓冲弹簧等。(2)控制运动。如制动器、离合器以及燃机气门控制弹簧。(3)储存或释放能量。如钟表发条，定位控制机构中的弹簧。(4)测量力和力矩。用于测力器、弹簧秤等。 按弹簧的受力性质不同，弹簧主要分为：拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧。 按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等。 此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等。12-2圆柱拉、压螺旋弹簧的设计 一、圆柱形拉、压螺旋弹簧的结构、几何尺寸和特性曲线 1、弹簧的

2、结构 (1)压缩弹簧（图121）A、YI型：两端面圈并紧磨平B、Y型：两端面圈并紧不磨平。磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少于d/8。 (a)Y型(b)Y型 图12-1压缩弹簧 (2)拉伸弹簧（图122）A、LI型：半圆形钩B、L型：圆环钩C、L型：可调式挂钩，用于受力较大时 图12-2拉伸弹簧 2、主要几何尺寸弹簧丝直径d、外径D、径、中径、节距p、螺旋升角 、自由高度(压缩弹簧)或长度(拉伸弹簧)，如图12-3。此外还有有限圈数n，总圈数，几何尺寸计算公式见表12-1。 (a)(b) 图12-3圆柱形拉、压螺旋弹簧的参数表12-1 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式 名

3、称与代号压缩螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧弹簧直径d/mm由强度计算公式确定弹簧中径D2/mmD2=Cd弹簧径D1/mmD1=D2-d弹簧外径D/mmD=D2+d弹簧指数CC=D2/d一般4C6螺旋升角 /对压缩弹簧，推荐 59有效圈数n由变形条件计算确定 一般n2总圈数n1压缩n1n(22.5)；拉伸n1nn1n(1.52)(Y型热卷)；n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈，推荐1/2圈自由高度或长度H0/mm两端圈磨平n1n1.5时，H0np+dn1n2时，H0np+1.5dn1n2.5时，H0np+2d两端圈不磨平n1n2时，H0np+3dn1n2.5时，H0np+3.5dLI型H0(n+1)

4、d+D1L型H0(n+1)d+2D1L型H0(n+1.5)d+2D1工作高度或长度Hn/mmHnH0nHnH0+n，n变形量节距p/mmpd间距 /mm pd 0压缩弹簧高径比bbH0/D2展开长度L/mmL= D2n1/cos L= D2n+钩部展开长度弹簧指数C：弹簧中径D2和簧丝直径d的比值即：C=D2/d。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。通常C值在416围，可按表12-2选取。 表12-2圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C 弹簧直径d/mm0.20.40.511.12.22.567161842C71451251041048463、特性曲线弹簧所受

5、载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的特性曲线。(1)压缩弹簧其特性曲线如图12-4所示。图中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。在Fmin的作用下，弹簧从自由高度H0被压缩到H1，相应的弹簧压缩变形量为min。在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下，弹簧的压缩变形量增至max。图中Flim为弹簧的极限载荷，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。此外，图中的h=max-min，称为弹簧的工作行程。 图12-4圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图12-5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线 (2)拉伸弹簧其特性曲线如图12-5

6、所示。按卷绕方法的不同，拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。无初应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同。有初应力的拉伸弹簧的特性曲线，如图12-5c所示。有一段假想的变形量x，相应的初拉力F0，为克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，弹簧才开始伸长。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FminF0；弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取Fmax0.8Flim，因此，为保持弹性的线性特性，弹簧的工作变形量应取在(0.20.8)lim围。二、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计约束分析 1、强度约束条件图12-6为承受

7、轴向载荷的压缩弹簧，现分析其受力情况，拉伸弹簧的簧丝受力情况完全相同。如图12-6a，在通过轴线的剖面上，弹簧丝的剖面为椭圆，但由于螺旋升角一般很小，可近似地用圆形剖面代替。将作用于弹簧的轴向载荷F移至这个剖面，在此剖面上有转矩：T=FD2/2和剪切力F的联合作用。这二者在弹簧丝剖面上引起的最大剪切应力为：式中：K为曲度系数(或称补偿系数)，用以考虑螺旋升角和弹簧丝曲率等的影响，其值可按下式计算：则弹簧丝的强度约束条件为：或式中：为许用剪切应力；Fmax为弹簧的最大工作载荷。 图12-6受轴向载荷的压缩弹簧 2、刚度约束条件圆柱螺旋弹簧的变形计算公式是根据材料力学求得的，即：式中，G为材料的剪

8、切弹性模量。由此可得刚度约束条件为或式中：k为弹簧刚度，表示弹簧单位变形所需的力。一般n应圆整为0.5的整数倍，且大于2。 3、稳定性约束条件当作用在压缩弹簧的载荷过大，高径比b=H0/D2超出一定围时，弹簧会产生较大的侧向弯曲(图12-7)而失稳。为保证弹簧的稳定性，一般规定，两端固定时取b5.3；一端固定另一端自由时，取b3.7；两端自由时，应取b2.6。如未能满足上述要求，则要按下式进行稳定性验算：Fmax1000000；类N1000100000，可用作受冲击载荷的弹簧；类N1000；2、拉伸弹簧的许用剪应力为压缩弹簧的80%；3、表中 、 b、G和E值，是在常温下按表中推荐硬度围的下限

9、时的数值。四、圆柱拉、压螺旋弹簧的设计方法与实例 弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数C。由于 b与d有关，所以往往还要事先假定弹簧丝的直径d，接下来计算d、n的值及相应的其它几何尺寸，如果所得结果与设计条件不符合，以上过程要重复进行。直到求得满足所有约束条件的解即为本问题的一个可行方案。实际问题中，可行方案是不唯一的，往往需要从多个可行方案中求得较优解。 例12-1设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，

10、簧丝剖面为圆形。已知最小载荷Fmin=200N，最大载荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，弹簧类工作，要求弹簧外径不超过28mm，端部并紧磨平。解：试算(一)： (1)选择弹簧材料和许用应力。 选用C级碳素弹簧钢丝。根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表12-4查得 b=1570MPa，由表12-3知： =0.41 b=644MPa。(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.21由式得d4.1mm由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。 试算(二)：(1) 选择弹簧材料同上。为取得较大的d值，选C=5.3。仍由C=(D-d)/

11、d，得d=4.4mm。查表12-4得 b=1520MPa，由表12-3知 =0.41 b=623MPa。(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.29由式得d3.7mm。可知：d=4.4mm满足强度约束条件。(3) 计算有效工作圈数n由图12-4确定变形量 max： max=16.7mm。查表12-3，G=79000N/，由式得n=9.75取n=10，考虑两端各并紧一圈， 则总圈数n1=n+2=12。至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。 试算(三)：(1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm查表12-4，得 b=

12、1520MPa， =0.41 b=623MPa。(2) 计算弹簧丝直径。得d3.91mm。知d=4mm满足强度条件。(3)计算有效工作圈数n。由试算(二)知，max=16.7mm，G=79000N/，由式得n=6.11取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。这一计算结果即满足强度与刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又是一个较优的解，可将这个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作稳定性校核。(4) 确定变形量 max、min、lim和实际最小载荷Fmin弹簧的极限载荷为：因为工作圈数由6.11改为6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应有所变化。由式得：min=maxh=(1

13、7.77-10)mm=7.77mm(5) 求弹簧的节距p、自由高度H0、螺旋升角和簧丝展开长度L在Fmax作用下相邻两圈的间距0.1d=0.4mm，取=0.5mm，则无载荷作用下弹簧的节距为 p=d+max/n+1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mmp基本符合在(1/21/3)D2的规定围。端面并紧磨平的弹簧自由高度为取标准值H0=52mm。无载荷作用下弹簧的螺旋升角为基本满足=59的围。弹簧簧丝的展开长度(6) 稳定性计算b=H0/D2=52/24=2.17采用两端固定支座，b=2.175.3，故不会失稳。(7) 绘制弹簧特性线和零件工作图。弹簧图纸的参数标注一。基本参数

14、的标注： 1、对圆柱螺旋弹簧，来图对请注明：材料直径(d)，外径(D)自由高度(Ho)总圈(n 1 ),工作圈数(n)、节距(t)，有负荷要求注上负荷（p 1 p 2 p i ）和对应值（ H1H2Hj）或（F1F2Fj），如图一： 2、拉伸弹簧，请注明材料直径 (d)，外径(D)，总长(Ho)，工作圈数(n)，耳环的位置及形状，负荷（p 1 p 2 p i ）和对应值（ H1H2Hj）如（图二）若有初拉力则需注上Po如（图二）。 3、扭转弹簧，请注明：材料直径 (d)，外径(D)，扭臂长(L)，自由高度(Lo)，以及其它几何尺寸，如导矩（T 1 T 2 T j ）和对应和对应扭转角度（ ）如图三：