机械设计课件第16章弹簧
机械设计——弹簧机构设计
“弹簧”被组入到各种机构中，发挥出弹簧各自的作用。
但相对于显著的要素部件来说，它担当的是辅助的角色。
但是，它与可靠性、高速运动性能、小型轻量化和操作性等之间有很深的关系。
即使在今后的技术进步中，弹簧也是一种重要的LCA部件。
弹簧的种类和特点「弹簧」按照形状分类如下。
【表1】按照形状分类的弹簧种类施加在弹簧上的负载：P和挠度（形变量）：δ成比例（线性）关系，根据「胡克定律」。
比例常数k称为「弹簧常数」。
【图1】显示了负载和形变之间的关系。
在这个图中，斜度表示弹簧常数：k。
利用这一特性，我们设计和制造了测量物体重量的“弹簧秤”、需要一定力量动作的安全阀用弹簧等。
（2）具有不同负载特性的弹簧弹簧的负载-形变关系除了上述（1）所述的线性特性以外，还有非线性的弹簧。
以压缩螺旋弹簧为例，其中负载和形变为非线性特性的有以下3种。
非线性压缩螺旋弹簧中[1]螺旋直径，[2]间距和[3]线径中的至少一个以上的设计参数，通过变换螺旋弹簧的位置，负载的增加，来实现线条或线条与座位表面相互接触。
・在拉伸弹簧中，即使在无负载的状态下，弹簧圈之间相互作用的力：可以形成初张力。
・这种初张力在由密着状态形成时，通过弹簧线在螺旋方向紧密缠绕扭转而获得的。
・在通过冷成型紧密卷绕加工形成弹簧的情况下，尽管在一定程度上产生了初张力，但是主动形成初始张力的弹簧被称为有初始张力的弹簧。
・没有初张力的弹簧和有初张力的弹簧的负载-形变量特性如下所示。
（【图1】）・【图1】的拉伸弹簧负载-形变量关系式用【公式A】来表示。
有初张力的弹簧拉伸弹簧的负载-形变量关系式用【公式B】来表示。
【公式A】负载P（N）=弹簧常量k（N/mm）x形变量δ（mm）【公式B】荷重P（N）=初张力Pi（N）由下述公式算出。
+弹簧常量k（N/mm）x形变量δ（mm）・初张力Pi（3）拉伸弹簧的各种形状拉伸螺旋弹簧的形状在弹簧特性面上有时不具有非线性，大致有圆筒形和双重拉伸两种。
弹簧机械设计-16PPT课件
t—节距
tH 01.5~2d 两端磨平
n
tH 03~3.5d 两端不磨平
n
H0—自由高度
H 0 t n 1 . 5 ~ 2 d 两端磨平
H 0 t n 3 ~ 3 . 5 d 两端不磨平
b—压缩弹簧细长比 b H 0 D2
Hale Waihona Puke —螺旋角 arctg t D2b在1~5.3范围取
结构尺寸：
d —弹簧直径，（关键尺寸）d, 强度。 D2 —中径 D2 =C d C —弹簧指数 C = D2 / d D —外径 D = D2 +d D1 —内径 D1 = D2 – d —轴向间隙 =t–d n —工作圈数（有效圈数） n2
n1 —总圈数 n1=n+(2~2. 5) 冷卷 n1=n+(1. 5~2) YI型热卷，推荐n1尾数为1/2圈
一般为右旋, 推荐=5~9
13
L—展开长度 LD2n1 cos
m s质量 m s 4 d2L r
特性曲线： 为保证弹簧具有弹性，即不产 生永久变形，弹簧应在弹性极 限内工作。
特性曲线—表示载荷P与变形 的关系曲线.
即 kp P常数
14
Pmin—最小工作载荷（使弹簧可靠地安装），亦称 安装载荷。一般 Pmin=(0.1~0.5) Pmax
15
特性曲线：
i. 必须画在弹簧工作图上，
作为检验和试验的依据。
ii. 弹簧设计时，必须利用
kp
P
的关系。
2、拉伸弹簧
拉伸弹簧空载时各圈相互并 紧（即=0）。端部制有挂 钩，以便安装及加载。
16
17
挂钩形式： LI、LII 型：制造方便，但过渡处弯曲应力很大。 广泛应用于d10mm的弹簧中。 LⅦ、Ⅷ 型：结构合理，弯曲应力小。 用于受力较大的弹簧。 几何参数： 主要参数： d，D2=C d，n=n1 其它参数： D，D1， =0，t=d，H0，，L
机械设计基础chap弹簧资料
3 压缩弹簧特性曲线 载荷—变形曲线
F1—最小工作载荷，安装时必须施加， F1=(0.2 ～ 0.5)F2 F2—最大工作载荷，τ ≤ [τ] Flim—极限载荷，达到σs时的载荷 H1 、 H2 、 Hlim —F1 、F2 、Flim作用时的弹簧高度 λ1 、 λ2 、λ lim —F1 、F2 、Flim时的弹簧变形
1 确定弹簧许用应力时应考虑
材料、品种、材料质量、热处理方式、载荷性质、 工作条件、重要程度、弹簧丝直径
2 按载荷性质分类
Ⅰ类——受变载荷次数106次以上。内燃机气门弹簧、电磁制动器 Ⅱ类——受变载荷次数103～ 105次以上。调速器、安全阀、一般车辆 Ⅲ类——受变载荷次数103以下。摩擦式安全离合器
8FD2
d 3
F产生的应力：
'' 4F d 2
最大切应力：弹簧丝截面内侧
' ''
8FD2
d 3
4F
d 2
8FD2
d 3
1
d 2D2
' ''
8FD2
d 3
4F
d 2
8FD2
d 2
1
d 2D2
令C D2 旋绕比(弹簧指数)C：衡量弹簧曲率的重要参数。 d
簧丝最大切应力： K 8FC d 2
改进挂钩形式：弯曲应力小
二、设计计算
• 要求：强度、刚度、稳定性 设计计算
已知
F2、λ2 工作条件 空间位置
方法： 试算法
设计内容
材料、结构型式 d, D2(GB), n t,α，H0，L
机械设计基础之弹簧详解.共26页PPT
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
机械设计基础之弹簧详解26页PPT
机械设计基础之弹簧详解
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
机械设计课件-弹簧
特性曲線：呈非線性，變形取決於比值h/t變化。
重要特性：當h/t≈1.5時，中間一段接近於水準。
D1 F
F
h t =2.75
h
h t =0.5
t D
h t =1.5
浙江大學專用
簧片變平點
O
1
2
3
4 y /t
碟形彈簧組合形式 對合式組合彈簧----
變形量增加，承載力不變。
摩擦消耗的能量-----陰影面積
缺點： 用作高精度控制彈簧時，對材料和製造工藝（加工精度、熱
處理）要求較嚴，製造困難。
浙江大學專用
浙江大學專用
失穩
加裝導向杆 加裝導向套
3. 拉伸彈簧的結構特點
a) 各圈相互並緊d =0；
b) 製作完成後具有初拉力； c) 端部做有拉鉤，以便安裝和加載。
拉鉤形式：半圓鉤環型、圓鉤環型、 轉鉤、可調轉鉤。
改進後的結構
拉伸彈簧的結構尺寸計算與壓縮彈簧相同。
浙江大學專用
二、彈簧設計計算步驟
有足夠的強度 設計要求： 符合載荷---變形曲線的要求（剛度要求）
↑ → 吸振能力↑ F
加載
卸載
疊合式組合彈簧---- 在變形量不變時，承載力大大增加 。 摩擦阻尼大，特別適用於緩衝和吸振 複合式彈簧： 可同時增加變形量和承載 能力
浙江大學專用
優點： 變形量小、承載能力大、在受載方向空間尺寸小。
用途： 常用作重型機械、飛機等的強力緩衝彈簧，以及在離合器、
減壓閥、密封圈、自動控制機構中獲得了廣泛地應用。
G( d
/
4
2)ds / 32)
8FD22ds
G d 4
鋼：G=8×104 Mpa, 青銅：G=F4×104 Mpa
机械设计手册弹簧设计
机械设计手册弹簧设计
摘要：
1.弹簧设计的基本概念与分类
2.弹簧设计的主要参数与公式
3.弹簧设计的一般流程与方法
4.弹簧设计的应用实例与分析
正文：
一、弹簧设计的基本概念与分类
弹簧设计是机械设计手册中的一个重要组成部分，主要涉及对弹簧的类型、结构、材料等方面的设计。
弹簧根据其形状和功能可以分为多种类型，如螺旋弹簧、圆柱弹簧、平板弹簧等。
每种类型的弹簧都有其独特的应用场景和设计要求。
二、弹簧设计的主要参数与公式
弹簧设计的主要参数包括线径、弹力、自由长度、工作长度等。
在设计过程中，需要根据这些参数选择合适的弹簧材料和结构。
弹簧设计中常用的公式包括弹簧刚度公式、弹簧变形量公式等，通过这些公式可以计算出弹簧在受力情况下的性能参数。
三、弹簧设计的一般流程与方法
弹簧设计的一般流程包括需求分析、参数计算、结构设计、材料选择、性能分析等。
在设计过程中，需要根据实际需求分析弹簧的工作环境、受力情况等，然后根据需求选择合适的弹簧类型和结构。
在材料选择方面，需要根据弹
簧的性能要求选择合适的材料，并进行相应的性能分析。
四、弹簧设计的应用实例与分析
弹簧设计在各种机械设备中都有广泛应用，如在汽车悬挂系统中，弹簧用于缓冲车身与地面之间的冲击；在电子设备中，弹簧用于固定和保护元件等。
通过对这些应用实例的分析，可以更好地了解弹簧设计的实际应用和性能要求。
总之，弹簧设计是机械设计手册中一个重要的领域，需要综合考虑弹簧的类型、结构、材料等因素，以实现良好的性能和应用效果。
机械设计——弹簧机构设计
机械设计——弹簧机构设计弹簧机构是一种常见的机械设计中的重要部件。
它由弹簧和与之配合的其他零件组成，能够将能量储存起来，并在需要时释放出来。
弹簧机构广泛应用于各种机械装置中，包括汽车悬挂系统、钟表发条、射击器械等。
在弹簧机构的设计中，需要考虑的重要因素包括弹簧的选材、弹簧的形状和尺寸、弹簧的预紧力、弹簧的刚度等。
选材是弹簧机构设计中的第一步，需要根据机械装置的工作条件选择合适的弹簧材料，常用的弹簧材料包括钢、铁、铜、合金等。
弹簧的形状和尺寸需要根据机械装置的工作要求来确定，常见的弹簧类型有螺旋弹簧、拉伸弹簧、压缩弹簧等。
弹簧的预紧力是指弹簧在装配过程中受到的初次拉伸或压缩力，需要根据机械装置的要求和弹簧的特性来确定。
预紧力的大小直接影响到弹簧机构的工作效果和寿命，过小的预紧力会导致弹簧工作无效，过大的预紧力则会导致弹簧过早疲劳失效。
弹簧的刚度是指弹簧在受到外力作用时的变形程度，可以通过弹簧的刚度系数来描述。
刚度系数越大，表示弹簧在受到外力作用时变形越小，从而能够提供更大的力矩或扭矩。
刚度系数的选择需要根据机械装置的工作要求来确定，过小的刚度系数会导致机械装置运行不稳定，过大的刚度系数则会导致机械装置运行阻力大，能量损耗大。
在弹簧机构的设计过程中，还需要考虑到弹簧的安全系数和寿命。
安全系数是指弹簧的实际工作强度与设计强度之间的比值，一般建议选择安全系数大于1.5、寿命是指弹簧在一定工作条件下的工作时间，需要根据机械装置的使用频率和要求来确定，一般通过弹簧的疲劳试验来评估。
弹簧机构设计的成功与否直接影响到机械装置的性能和可靠性。
在进行弹簧机构设计时，需要综合考虑机械装置的工作要求、弹簧材料的特性和弹簧的力学特性等因素，合理选择弹簧类型、尺寸和预紧力，并进行弹簧的应力分析和疲劳寿命评估，从而确保弹簧机构的稳定性和可靠性。
总结起来，弹簧机构设计是一项具有挑战性的任务，在设计过程中需要考虑多个因素对机械装置的影响，并进行合理的选择和计算。
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p=(0.28~0.5)D δ=p-d
L=-πc-o-Ds-nα-1
n1=n p=d
拉伸弹簧n1尾数为1/4、 1/2、3/4、整圈，推
荐用1/2圈
L≈πDn+Lh
Lh为钩环展开长度
螺旋角α 质量ms
α=arctan(p/πD) ms=π--4d-2-Lγ
对压缩螺旋弹簧，推 荐用α=5˚ ~9˚
压缩弹簧厂细比b
b=H0/D2
b在1~5.3的范围选取
两端并紧，磨平；
自由高度或长度H0
H0≈pn+(1.5~2)d 两端并紧，不磨平；
H0 =nd+Hh
H0≈pn+(3~3.5)d
工作高度或长度 H1 H1 …….H1
Hn = H0 +λn
Hn = H0 + λn
有效圈数n
济南大学专用
有预应力的拉伸弹簧 n=-8-(-F-Gm-adx---F-0-)λmax
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 的弹簧。
有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。
济南大学专用
作者： 潘存云教授
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。
γ为材料的密度，对各种 钢， γ=7700kg/m3; 对铍青铜，γ=8100kg/m3
济南大学专用
作者： 潘存云教授
二、 弹簧的特性曲线
F
特性曲线-- 载荷—变形曲线 1、压缩弹簧的特性曲线
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1
F2Flim
潘存云教授研制
济南大学专用
作者： 潘存云教授
最小工作载荷: 弹簧在安装位置所受压 力，它能使弹簧可靠地 稳定在安装位置上。 Fmin=（0.1~0.5）Fmax
n为有效圈数
潘存云教授研制
δ
为使工作平稳，n1的尾数 取1/2
磨平
不磨平
济南大学专用
作者： 潘存云教授
2、 拉伸弹簧 a) 各圈相互并紧δ=0； b) 制作完成后具有初拉力； c) 端部做有拉钩，以便安装和加载。
拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、 改进后的结构 转钩、可调转钩。
潘存云教授研制
潘存云教授研制
强度条件： K8Fd2C[]
设计公式： d 1.6
KF C
[ ]
其中 :K4C10.615 K 4C4 C
----弹簧的曲度系数
其值可直接查表下表可得
潘存云教授研制
济南大学专用
3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
曲度系数
C=D2
/2 作者：
潘存云教授
3、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
4Cr13 450 600
耐腐蚀，耐高温，
750 –40~300 48~5潘3存H云R教C授研适制 用于做较大的
弹簧
青铜丝 QSi3-1 270 360 QSn4-3 270 360
450 –40~120 90~100HBS 耐腐蚀，防磁好 450
济南大学专用
作者： 潘存云教授
表16—2 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限
微段轴向变形量dλ： d D d 2
2
根据材料力学有关圆柱
8 FD ds 2
螺旋弹簧变形的计算公式
III 1750 1750 1700 2170 1650 1550 1450 1400 1300 1300 1200 1150 1150 1100 1350 1250
济南大学专用
作者： 潘存云教授
§16-3 拉伸(压缩)弹簧的设计计算
一、几何尺寸计算
节距：t = d +δ 间距:
δ≥
λmax 0.8n
扭转弹簧
济南大学专用
作者： 潘存云教授
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
圆柱形 截锥形
拉伸弹簧 压缩弹簧
扭转弹簧
本章内容
潘存云教授研制
济南大学专用
潘存云教授研制
作者： 潘存云教授
§16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造方法、 材料及许用应力
一、圆柱螺旋弹簧的结构形式
作者： 潘存云教授
2、弹簧的应力
剪切力：F
截面受力：
扭矩：T
FD2 2
潘存T云T教授研制τTτττFF Fτ弹簧轴线∑弹簧轴线
扭切应力： T
T
WT
F D2 2
d 3 16
8 FD 2
d 3
FFF
DD2 /22/2
剪切应力： F
4F
d 2
合成应力：TF8Fd3D 24dF2 8F d3D 2 12d D 2
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
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
1、圆柱螺旋压缩弹簧
变形用
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。
磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4
端部磨平----重要弹簧
d/4
端部不磨平---- 一般用途
压缩弹簧的总圈数： n1 = n+(1.5~2.5)
t
λmax --最大变形量。F2为最大载荷
H0
螺旋升角： α=arctg
t
πD2
通常 t≈(0.3~0.5)D2 , α=5˚~9˚
弹簧丝的展开长度: L=πcoDs2αn1
F2 λmax
潘存云教授研制
δ
α
D2
自由高度:
两端并紧不磨平结构：
H0=nδ+(n1+1)d
Hs Hs
潘存云教授研制
对于两端并紧磨平结构
极限变形--- λlim 一般取： Fmax ≤ 0.8Flim 弹簧刚度：kFminFmax常数
min min
弹簧势能 E
Hlim
H2 H1 H0
自由高度
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作者： 潘存云教授
2、拉伸弹簧的特性曲线 a)没有预应力
F
FmaxFlim
特性曲线通 Fmin
过坐标原点
λ
λmin
λmax λlim
FFmm0liaminx
潘存云教授研制
F0Fmin FmFaxlim
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作者： 潘存云教授
三、弹簧受载时的应力与变形 1、簧丝受力分析
F D2/2
弹簧受轴向载荷F时，作用 在轴向截面A-A上的力有：
轴向力： F 扭矩： T=F·D2/2 在法面B-B上的力有：
横向力: F” =Fcosα
轴向力: F’ =Fsinα
2、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。
最小变形--- λmin
最大工作载荷--- Fmax
在Fmax的作用下，τmax<[τ ]
F
FmaxFlim压缩弹簧的
特性曲线
FminarctEgk λ
λmin λ0
λmax
λlim
对应的变形---λmax 极限载荷--- Flim
<0.8nδ 保证不并紧
Fmin
F F maxlim 潘存云教授研制
由于0.5/C远小于1，故由F 引起的剪切应力可忽略。
潘存云教授研制
KτT
τF τF τ∑
m
若考虑螺旋升角和簧丝曲率 对应力集中的影响，实际应力 分布与理论分析有差别。
实践证明：弹簧内侧m点最容 易产生破坏。
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未考虑簧丝 曲率的应力
m
作者： 潘存云教授
引入系数K来补偿螺旋升角和簧丝曲率的影响，得：
第16章 弹 簧
§16-1 弹簧概述 §16-2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造、
材料及许用应力 §16-3 圆柱螺旋拉压弹簧的设计计算 §16-4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 §16-5 其它弹簧简介
济南大学专用
作者： 潘存云教授
§16-1 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，
令
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C D2 d
8Fd2C10C.5
作者： 潘存云教授
C----旋绕比，或弹簧指数。
表16-6 常用旋绕比C
D(min) 0.2~0.4 0.45~1 1.1~2.2 2.5~6 7~16 18~42
C=D2/d 7~14 5~12 5~10 4~9 4~8 4~6
8F d2C10C .5 88F d FdC22C
济南大学专用
作者： 潘存云教授
表16—1 螺旋弹簧的常用材料和许用应力