碳素弹簧钢

dφ T
O
n为有效圈数
k

F

Gd 4 8D23n

Gd 8 C3n
C↓ → k↑
dλ O’
D2
C值过小→ 制造困难，内侧应力↑；
C值过大→ 弹簧容易颤动。取值范围：C=4~16
§18-3 弹簧的制造、材料和许用应力
一、弹簧的制造
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。
450 –40~120 90~100HBS 耐腐蚀，防磁好 450
表18-2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限
组别
0.2 0.3 0.5 0.8
钢丝直径 d/ mm
1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0
I 2700 2700 2650 2600 2500 2400 2200 2000 1800 1700 1650 1600 1500 1500 1450 --II、IIa 2250 2250 2200 2150 2050 1950 1850 1800 1650 1650 1550 1500 1400 1400 1350 1250
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 §18-4 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计 §18-5 其他弹簧简介
§18-1 弹簧的功用和类型
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；
2. 缓冲吸振; 如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；
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
类型：
螺旋 弹簧
圆柱形 按形状分 截锥形
拉伸弹簧 按受载分 压缩弹簧
分类
扭转弹簧
分类
按形状分 螺旋弹簧 环形弹簧 按受载分 碟形弹簧 平面涡圈弹簧 仪表中储能用 板弹簧
微段轴向变形量dλ： d D2 d 2
2
根据材料力学有关圆柱
8FD ds 2
螺旋弹簧变形的计算公式
4
G d G--材料的切变模量：
钢：G=8×104 Mpa, 青铜F：G=4×104 Mpa
F

t
d
8FD22
t
ds
0
Gd 4 0
λ T


8FD23n Gd 4

8FC 3n Gd
圆柱形 截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧
扭转弹簧
本章内容
§18-2 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的应力与变形
一、弹簧的应力
剪切力：F

已知条件如图。截面受力： 扭矩：T

FD2 2
剪切应力：
'

T WT

F D2 2
d 3 16

8FD2
d 3
剪切应力：
"

4F
d 2
D2


' "
8FD2
的弹簧。 有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 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：
制造受重载的弹簧。
合金弹 50CrVA 450 600 簧钢丝
有高的疲劳极限，
750
–40~210
45~50HRC
弹性、淬透性和回 火稳定性好，常用
于承受变载的弹簧
4Cr13 450 600
耐腐蚀，耐高温，
750 –40~300 48~53HRC 适用于做较大的
弹簧
青铜丝 QSi3-1 270 360 QSn4-3 270 360
d 2
[ ]
设计公式：
d 1.6
KFC
[ ]
其中
K 4C 1 0.615 4C 4 C
----弹簧的曲度系数
K
其值可直接查表下表可得
ττττ’”τ’”τ
未考虑簧丝 曲率的应力
3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
曲度系数 C=D2 /2
二、弹簧的变形 在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形λ，取微段分析
III 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250
冷卷：d<10 mm → 低温回火，消除应力
热卷：d≥ 10 mm → 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。
二、弹簧的材料
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。
d 3

4F
d 2

8FD2
d 3
1
d 2D2

F
F
τ” 弹
α
ττ’ ’ τ 簧 τ” 轴
T
线
T F
F
F
D2 /2
令
C D2 d
截面总切应力：

8FC
d 2
1
0.5 C
C----旋绕比，或弹簧指数。
精确分析可得如下公式：
强度条件：

K
8FC
Ⅲ类弹簧
推荐使用 温度℃
推荐硬度 范围
特性及用途
[τI]
[τII]
[τIII]
碳素弹簧
强度高，性能好，
钢丝Ⅰ, 65、70 0.3σB 0.4σB 0.5σB –40~120 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ
但尺寸大了不易淬 透，只适用于小弹 簧。
60Si1Mn 480 640
弹性和回火稳定性
800 –40~200 45~50HRC 好，易脱碳，用于
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 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d>12 mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的
弹簧。 合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。 优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高
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
许ห้องสมุดไป่ตู้切应力 / MPa
名称
牌号
Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧