圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力
圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力
(一) 圆柱螺旋弹簧的结构形式
1. 圆柱螺旋压缩弹簧
如下左图所示，弹簧的节距为p,在自由状态下，各圈之间应有适当的间距δ，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保留一定的间距δ1。δ1的大小一般推荐为: δ1=0.1d≥0.2mm
式中d为弹簧丝的直径。
圆柱螺旋压缩弹簧
圆柱螺旋压缩弹簧的端面圈
弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧(无间隙)，只起支承作用，不参与变形，故称为死圈。当弹簧的工作圈数n≤7时，弹簧每端的死圈约为0.75圈；n>7时，每端的死圈约为1～1.75圈。这种弹簧端部的结构有多种形式(上右图)最常用的有两个端面圈均与邻圈并紧且磨平的YI型(图a)、并紧不磨平的YIII型(图c)和加热卷绕时弹簧丝两端锻扁且与邻圈并紧(端面圈可磨平，也可不磨平)的YII型(图b) 三种。在重要的场合，应采用YI型，以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。弹簧丝直径d≤0.5mm时，弹簧的两支承端面可不必磨平。d>0.5mm的弹簧，两支承端面则需磨平。磨平部分应不少于圆周长的3/4。端头厚度一般不小于d/8，端面粗糙度应低于。 2．圆柱螺旋拉伸弹簧
如下左图所示，圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。另外，为了节省轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成的弹簧，各圈相互间即具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了一定的顶应力，故称为有预应力的拉伸弹簧。这种弹簧一定要在外加的拉力大于初拉力P0后，各圈才开始分离，故可较无预应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间。拉伸弹簧的端部制有挂钩，以便安装和加载。挂钩的形式如下右图所示。其中LI型和LII型制造方便，应用很广。但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径d≤l0mm的弹簧中。LVII、LVIII型挂钩不与弹簧丝联成一体，故无前述过渡处的缺点，而且这种挂钩可以转到任意方向，便于安装。在受力较大的场合，最好采用LVII型挂钩，但它的价格较贵。
圆柱螺旋拉伸弹簧
圆柱螺旋拉伸弹簧挂钩的形式[OT_page]
(二) 制造
螺旋弹簧的制造工艺包括：a)卷制；b)挂钩的制作或端面圈的精加工；c)热处理；d)工艺试验及强压处理。（强压处理是使弹簧在极限载荷作用下持续6～48h，以便在弹簧丝截面的危险区产生塑性变形和残余应力，从而提高弹簧的静载强度。用于长期振动，高温和腐蚀性介质中的弹簧，以及一般用途的弹簧不应进行强压处理。）
卷制是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万能自动卷簧机上卷制；单件及小批生产时，则在普通车床或手动卷绕机上卷制。
卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径 d<(8～10)mm的弹簧丝；直径较大的弹簧丝制作的强力弹簧则用热卷。热卷时的温度随弹簧丝的粗细在800～1000℃的范围内选择。不论采用冷卷或热卷，卷制后均应视具体情况对弹簧的节距作必要的调整。
对于重要的压缩弹簧，为了保证两端的承压面与其轴线垂直，应将端面圈在专用的磨床上磨平；对于拉伸及扭转弹簧，为了便于联接、固着及加载，两端应制有挂钩或杆臂(参看上图<圆柱螺旋拉伸弹簧挂钩的形式>及右图)。
扭转螺旋弹簧
弹簧在完成上述工序后，均应进行热处理。热处理后的弹簧表面不应出现显著的脱碳层。冷卷后的弹簧只作回火处理，以消除卷制时产生的内应力。
此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。要特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹 簧丝的表面状况，所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击性能。因此脱碳层深度和其它表面缺陷应在验收弹簧的技术条件中详细规定。重要的弹簧还须进行表面保护处理(如镀锌)；普通的弹簧一般除以油或漆。
(三) 弹簧的材料及许用应力
为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。
常用弹簧钢主要有下列几种：
碳素弹簧钢
这种弹簧钢的忧点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，且不能在高于120℃的温度下正常工作。
低锰弹簧钢(例如65Mn) 这种弹簧钢与碳素弹簧钢相比，优点是淬透性较好和强度较高；缺点是淬火后容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜，所以一般机械上常用的尺寸不大的弹簧可以用此种材料制造，例如离合器弹簧等。
硅锰弹簧钢(例如60Si2MnA)
这种钢中因加入了硅，故可显著地提高弹性极限，并提高了回火稳定性，因而可在更高的温度下回火，从而得到良好的力学性能。但含硅量高时，表面易于脱碳。由于锰的脱碳性小，故在钢中加入硅锰这两种元素，就是为了发挥各自的优点，并减少彼此的缺点，因此硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用。一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。
50铬钒钢(例如50CrVA)
钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性，故这种材料是耐疲劳和抗冲击性能良好的弹簧钢。它有良好的力学性能，并能在-40～350℃的温度下工作，但价格较贵。航空发动机调节系统中的弹簧多采用此种材料，如柱塞油泵的柱塞弹簧等。
此外，某些不锈钢和青铜等材料，具有耐腐蚀的特点，青铜还具有防磁性和导电性，故常用于 制造化工设备中或工作于腐蚀性介质中的弹簧。其缺点是不容易热处理，力学性能较差，在一般机械中很少采用。
在选择材料时，应考虑到弹簧的用途、重要程度、使用条件(包括载荷性质、大小及循环特性，工作持续时间，工作温度和周围介质情况等)，以及加工、热处理和经济性等因素。同时，也要参照现有设备中使用的弹簧，选择出较为合用的材料。
弹簧材料的许用扭转切应力[τ]和许用弯曲应力[σ]b的大小和载荷性质有关，静载荷时的[τ]或[σ]b较变载荷时的大。表<弹簧常用材料及其许用应力>中推荐的几种常用材料及其[τ]和[σ]b值，可供设计时参考。碳素弹簧钢丝拉伸强度极限σB值按表<弹簧钢丝的拉伸强度极限σB>选取。
圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算
一、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计原理
1、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧原理
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧是一种特殊的弹簧，其结构设计使用了螺旋结构，螺旋结构的形状是一个圆柱形的圆柱螺纹。圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的压缩（拉伸）受力分布差异，当进行压缩（拉伸）力作用时，弹簧的整个螺旋节在不同的力矩作用下会产生相应的弹性变形，从而使得弹簧的中心轴变长，以缩短弹簧的长度。
2、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧特性
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧具有对同直径和外径的小变化具有很强的适应性的特性，同时，压缩（拉伸）力也有必要时可以根据弹性变形率来改变。圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的压缩（拉伸）受力分布差异，当进行压缩（拉伸）力作用时，弹簧的整个螺旋节在不同的力矩作用下会产生相应的弹性变形，从而使得弹簧的中心轴变长，从而缩短弹簧的长度。此外，这种弹簧具有紧凑结构，能够有效地减少设备装置内的多余空间，重量轻，由于采用细小的钢、不锈钢、铜或其它有良好装配性的金属等材料，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和耐臭氧性等性能。
弹簧设计
12-2 圆柱拉、压螺旋弹簧的设计
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§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、弹簧的结构
(1)压缩弹簧（图12－1）
A、YI型：两端面圈并紧磨平
B、YⅢ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)YⅠ型 (b)YⅡ型
图12-1 压缩弹簧
(2)拉伸弹簧（图12－2）
A、LI型：半圆形钩
B、LⅡ型：圆环钩
C、LⅦ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、内径、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
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4～16范围内，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/mm 0.2～0.4 0.5～1 1.1～2.2 2.5～6 7～16 18～42
C 7～14 5～12 5～10 4～10 4～8 4～6
3、特性曲线
弹簧所受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λmin。在弹簧的最大工作载荷Fmax作用下，弹簧的压缩变形量增至λmax。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λlim，弹簧丝应力达到了材料的弹性极限。此外，图中的h=λmax-λmin，称为弹簧的工作行程。
圆柱螺旋弹簧的结构
圆柱螺旋弹簧的结构
圆柱螺旋压缩弹簧
弹簧的音高是p,应该有一个适当的距离之间的δ,弹簧压力时,可能会有相应的变形。为了使弹簧压缩后仍保持一定的弹性,设计还应该考虑最大负荷的作用下,一定距离δ1之间必须保留。δ1一般大小的建议:δ1 = 0.1 d≥0.2毫米
弹簧钢丝的直径是多少
圆柱螺旋压缩弹簧的端面环
弹簧的两个端环应紧靠相邻的环(无间隙)，仅起支承作用，不参与变形，故称死环。当弹簧工作弹簧数n≤7时，弹簧两端死圈约为0.75圈;当n> 7时，两端死圈约为1 ~ 1.75匝。弹簧端部结构形式多样(右上)。最常用的是彝族类型(图一)的两个端环与相邻环紧,光滑,和YIII类型(图c)不紧和公寓)三种类型的YII(图b)伪造两端的弹簧钢丝和接近邻环(端环可以地面或地面)当加热和绕组
在重要场合应采用YI型，以保证两个支承端面垂直于弹簧轴线，使弹簧在受压时不会偏斜。当弹簧丝直径d≤0.5mm时，弹簧的两个支承端面不需要压扁。对于d> 0.5mm弹簧，两个轴承端面需磨平。变平的部分应不小于圆周的四分之三。尖端的厚度一般不小于d / 8，端面的粗糙度应该更低。
2。圆柱螺旋张力弹簧
当圆柱螺旋张紧弹簧处于空载状态时，线圈应相互靠近。另外，为了节省轴向工作空间，保证弹簧线圈在空载状态下相互压紧，在绕制过程中，弹簧线经常绕着自己的轴线缠绕。用这种方法制成的弹簧，每个线圈之间有一定的压紧力，弹簧钢丝上也产生一定的顶应力，故称为预应力张拉弹簧。
这种弹簧在施加的拉力大于初始拉力P0后必须开始分离，与非预应力张拉弹簧相比，可以节省轴向工作空间。张紧弹簧的两端为钩形，用于安装和加载。
圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的设计计算
（一）几何参数计算 普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径 D中
径D2内径D1、节距P、螺旋升角a及弹簧丝直径d。由下图圆柱螺旋弹簧
P a = arctg
的几何尺寸参数图可知，它们的关系为： ’〔
式中弹簧的螺旋升角a，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在 5°〜9范围内选
取。弹簧的旋向可以是右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。
r—D——-1
「Di —*1
圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数
普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸计算公式见表 （［color=#0000ff
普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm计算公式）。 普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm计算公式
参数名称及代号 计算公式
备注
压缩弹簧 拉伸弹簧
中径D2 D2=Cd 按普通圆柱螺旋 弹簧尺寸系列表
取标准值
内径D1 Di=D2-d
夕卜径D D=C2+d
旋绕比C C=D2/d
压缩弹簧长细比
b b=Ho/Dz
b在1〜5.3的范
围内选取
H~pn+（1.5 〜2）d
自由高度或长度
H） （两端并紧，磨平） 二nd+钩环轴向长
度
I-0~pn+（3 〜3.5） d
（两端并紧，不磨
平）
工作高度或长度
HI,H2,…，已 Hi=H> 入 n Hn=F0+ 入 n 入n--工作变形量
有效圈数n 根据要求变形量按式（16-11）计算 n > 2
总圈数ni ni=n+（2 〜2.5）（冷
卷）
ni=n+（1.5 〜2）
（丫11型热卷） n1=n 拉伸弹簧n1尾数
为 1/4,1/2,3/4 整 圈。推荐用1/2圈
节距p p=（0.28 〜0.5） D2 p=d
轴向间距S S =p-d
展开长度L L=n D2n 1/COS a L ~n D2n+钩环展
开长度
螺旋角a a =arct g（p/ n D2） 对压缩螺旋弹簧，
圆柱弹簧的设计与计算
一、 圆柱螺旋弹簧的型式、代号及参数系列
用冷卷或热卷制作的圆柱螺旋弹簧的典型端部结构型式有及代号见表1～表5。
表1冷卷压缩弹簧（Y）
表2热卷压缩弹簧（RY）
表3冷卷拉伸弹簧（L）
代号简图端部结构型式
YⅠ两端圈并紧并磨平YⅡ两端圈并紧不磨YⅢ两端圈不并紧
代号简图端部结构型式RYⅠ两端圈并紧并磨平
RYⅡ两端圈制扁并紧磨平或不磨
代号简图端部结构型式
LⅠ半圆钩环
LⅡ圆钩环
LⅢ圆钩环压中心圆柱弹簧的设计与计算
表4热卷拉伸弹簧（RL）
表5
扭转弹簧（N）
LⅣ偏心圆钩环
LⅤ长臂半圆钩环
LⅥ长臂小圆钩环
LⅦ可调式拉簧
LⅧ两端具有转钩环
代号简图端部结构型式
RLⅠ半圆钩环
RLⅡ圆钩环
RLⅢ圆钩环压中心
代号简图端部结构型式
NⅠ外臂扭转弹簧
NⅡ内臂扭转弹簧
NⅢ中心臂扭转弹簧
NⅣ平列双扭弹簧
NⅤ直臂扭转弹簧
NⅥ单臂弯曲扭转弹簧
二、普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（摘自GB/T1358-1993）表6 弹簧材料截面直径d
（mm）
第一系列0.1 0.12 0.14 0.16 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6
0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.6 2 2.5 3 3.5 4 4.5
5 6 8 10 12 16 20 25 30 35 40 45
50 60 70 80
第二系列0.08 0.09 0.18 0.22 0.28 0.32 0.55 0.65 1.4 1.8 2.2 2.8
3.2 4.2 5.5 6.5 7 9 11 14 18 22 28 32
38 42 55 65
表7弹簧中径D
（mm）
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
2.2 2.5 2.8 3 3.5 3.8 4 4.2 4.5 5 5.5 6
6.5 7 7.5 8 8.5 9 10 12 14 16 18 20
22 25 28 30 32 38 42 45 48 50 52 55
弹簧设计规范(全)
.
. 弹簧设计规范
一、弹簧的功能
弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有：
⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。
⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。
⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。
⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。
二、弹簧的类型、特点和应用
弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表1。
表1 弹簧的基本类型、特点和作用
名称 弹簧简图 特点及应用 名称 弹簧简图 特点及应用
圆柱形螺旋弹簧
图(a)承受拉力，图(b)承受压力，结构简单，制造方便，应用最为广泛 碟形弹簧
承受压力，缓冲及减振能力强，常用于重型机械的缓冲和减振装置。
圆柱形螺旋扭转弹簧
承受转矩，主要用于各种装置中的压紧和蓄能 环形弹簧
承受压力，是目前最强的压缩、缓冲弹簧，常用于重型设备，如机车车辆、锻压设备和机械中的缓冲装置。
圆锥形螺旋弹簧
承受压力，结构紧凑，稳定性好，防振能力较强，多用于承受大载荷和减振的场合 盘簧
承受转矩，能储存较大的能量，常用作仪器、钟表中的弹簧。
板弹簧
承受弯曲，变形大，吸振能力强，主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。
在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。.
.
三、弹簧使用的材料及其用途
弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。
弹簧常用材料及其许用应力
弹簧常用材料及其许用应力
表1 弹簧常用材料及其许用应力
表2 弹簧钢丝的拉伸强度极限σB(MPa)
表3 常用旋绕比C值
表4 普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列
表5 导杆(导套)与弹簧间的间隙
表6 通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸
表1 弹簧常用材料及其许用应力(摘自GBl239-1976)
许用弯曲应许用切应力 力 切变模量 弹性模量 推荐硬推荐使
[τ] (MPa) 度 用温度 [σ] (MPa) b名称 组别? 特性及用途 G E
弹簧类别? 弹簧类别? (?) (HRC) (MPa) (MPa)
I类 II类 III 类 II 类 III类
碳素弹I组,II,IIa0.5?d?4 0.5?d?4 簧钢丝 组,III组
81400,203000,
-40,强度高，韧性好，0.3σ特殊用B78500 201000 0.4σ 0.5σ 0.5σ
0.625σ BBBB
适用于做小弹簧 +120 途碳素甲组，乙
d>4 d>4 弹簧钢组，丙组
丝 78500 196000 硅锰合弹性好，回火稳定
45,-40,金弹簧性好，易脱碳，用 471 628 785 785 981 78500 196000
50 +200 钢丝 于制造大载荷弹簧
注: ? 弹簧按载荷性质分为三类:
6I类一受变载荷作用次数在10以上的弹簧; 35II类一受变载荷作用次数在10~10及冲击载荷的弹簧;
3III类一受变载荷作用次数在10下的弹簧。
碳素弹簧钢丝的组别见表2。
弹簧材料的拉伸强度极限，查表2。
表2 弹簧钢丝的拉伸强度极限σ(MPa) B
碳素弹簧钢丝 特殊用途碳素弹簧钢丝 重要用途弹簧钢丝 钢丝直径 钢丝直径
钢丝直径
I组 II组IIa组 III组 甲组 乙组 丙组 65Mn d(mm) d(mm) d(mm) 0.32,0.6
0.2,0.55 2599 2157 1667 2844 2697 2550
第四章 弹性联接
第四章弹性联接
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
4-2 圆柱形螺旋弹簧的结构、参数和尺寸
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
•在外载荷作用下弹性变形，当外载荷卸除时恢复原有的形
状和尺寸的零件，称为弹性零件。如：弹簧，板簧等。
•依靠弹性零件实现被联接件在有限相对运动时乃保持联系的动联接，叫弹性联接。如车辆悬挂弹簧构成的联接。车辆悬挂弹簧构成的联接
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
弹簧的功用
•弹簧的主要功用有：①控制机构的运动或零件的位置，
例如离合器、凸轮机构、阀门及调速器中的弹簧；②缓冲
及吸振，例如汽车、火车车厢下的减振弹簧，各种缓冲器
中的弹簧；③储存能量作为动力源，例如机械钟表、仪
器、玩具等使用的发条，枪栓弹簧；④测量力和力矩，例如弹簧秤、测力器中的弹簧等。
弹簧的类型
弹簧的种类很多，按其形状的不同可分为螺旋弹簧、环形
弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等。
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
一、弹簧的类型、特点和应用
•弹簧的类型多，常用的弹簧的承载性质、类型、特点
常见的弹簧种类
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
常见的弹簧种类
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
弹簧的主要类型和特点
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
弹簧的主要类型和特点
4-1 弹性联接的类型、特点和应用
二、常用的弹簧材料及许用应力
•1. 弹簧的材料
•工作性质和条件对弹簧材料的要求是多方面的。为保
证弹簧的变形始终在弹性范围内, 弹簧材料必须具有较高
的弹性极限；对于经常承受交变或冲击载荷的弹簧，其材
料还应具有较高的疲劳极限和足够的韧性；为了便于弹簧
的制造，材料还要具有良好的塑性和热处理性能等。弹簧
的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。
选择弹簧材料时，应充分考虑弹簧的工作条件、功用、重
要性和经济条件等因素。
•碳素弹簧钢,如65、70、85钢等，其价格便宜，供应
充足，热处理后具有较高的强度、适宜的韧性和塑性，
故应用最广。但它的弹性极限低，多次重复变形后易失去
圆柱螺旋弹簧的设计
・４４・ 价值工程 圆柱螺旋弹簧的设计 Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｓｐｒｉｎｇ 韩立志Ｈａｎ Ｌｉｚｈｉ （黑龙江省建三江管局胜利农场，建三江１５６３００） （ＳｈｅｎＳｉ Ｆａｒｍ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｓａｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｓａｎｊｉａｎｇ １５６３００，Ｃｈｉｎａ） 摘要：弹簧是重要的机械零部件之一，它具有缓冲减振、储存能量、控制运动及测量力的大小等功能，本文以圆柱螺旋弹簧为例子，重点介 绍弹簧设计中材料选择、弹簧丝直径、工作圈数、主要尺寸、稳定性验算、工作图和特性图绘制、强度验算和振动验算。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｉｌ ｓｐｒｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍｐｅｎ，ｓｔｏｒｅｄ ｅｎｅｒｇｙ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｏｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｔｃ．ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ，ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈｏｏｓｉｎｇ，ｓｐｒｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｈｅｃｋ，ｃｈａｒｔ ｄｒａｗｉｎｇ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｍａｉｎｌｙ． 关键词：螺旋弹簧；稳定性；设计 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｄｅｓｉｇｎ 中图分类号：ＴＨ１３５ 文献标识码：Ａ １弹簧材料选择 １．１弹簧材料要求 （１）必须具有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧 性。（２）具有良好的热处理性能，热处理后应有经久不变的弹性，且 脱碳性要小。（３）对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。 选择弹簧材料时，应综合考虑弹簧的功用、重要程度、工作条件 （如载荷的大小和性质、周围的介质和工作温度等）以及加工和热处 理等各种因素。 １．２常用弹簧材料 碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢等。非金属材料、橡胶塑料，当 受力较小而又有防腐蚀或防磁等特殊要求时，可用有色金属。 １．３弹簧材料的许用应力确定 弹簧的许用应力与弹簧的类别有关，根据弹簧的重要程度和载 荷性质、弹簧可分为三类。Ｉ类：是用于承受载荷循环次数在ｌ０ 次 以上的变载荷弹簧；ＩＩ类：是用于承受载荷循环次数在１０３ １０６次之 间的变载荷或承受动载荷的弹簧和承受静载荷的重要弹簧；ＩＩＩ类： 是用于承受载荷循环次数在１Ｏ 次以下的变载荷弹簧或承受静载 荷的一般弹簧、主要弹簧材料的使用性能见机械设计手册。 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限与材料的机械性能组别及钢丝 直径ｄ有关。机械性能按强度高低分为三组：Ｉ组高级；ＩＩ组及ＩＩａ组 中级（ＩＩａ较ＩＩ组塑性好）：ＩＩＩ组正常级（仅用于做不太重要的弹 簧）。碳素弹簧钢丝经多次拉拔回火后抗拉强度极限盯ｂ可提高，且 直径小的盯ｈ值较高，参考机械设计手册，设计时可先初定钢丝直径 进行试算。 ２设计计算 ２．１初选弹簧指数Ｃ，通常Ｃ＝５～８ ２．２计算曲度系数Ｋ，Ｋ： ＋ｏ． （１） ｑ－乙一斗 ２．３确定弹簧丝直径ｄ：按强度条件 ｄ≥、／ ：１．６、／ ．（２） Ｖ 竹Ｌ下ｊ Ｖ ＦｒＪ Ｆ 一最大工作载荷；【ｆ］一许用切应力。 对于碳素弹簧钢丝，由于Ｈ和Ｃ都与直径ｄ有关，根据强度条 件，由公式（２）试算弹簧丝直径ｄ，得到满意的结果后，圆整为标准 弹簧丝直径ｄ，然后由Ｄ＝Ｃｄ计算得Ｄ。 ２．４根据变形条件，由公式：入： ８Ｆ可Ｄ ３ｎ：＿＿８Ｆ Ｃ３ｎ （３） Ｌ７Ｑ ｔｙＯ． 式中，Ｇ一弹簧材料的剪切弹性模量；ｎ一弹簧的工作圈数。 若以最大工作载荷Ｆ 代替Ｆ，则最大轴向变形量 为 ａ．对于压缩弹簧和无初应力的拉伸弹簧：ｈ２－ ｂ．对于有初应力的拉伸弹簧，为初拉力： Ｆ２ Ｆｎ为初拉力，用弹簧钢丝冷卷制成的拉伸弹簧，不再淬火，均有 文章编号：１００６—４３１１（２０１０）０３一ＯＯ４４一Ｏｌ 一定的初拉力。选取初拉力时，推荐的初应力Ｔｎ 值可参考相关资料 选取。与初应力对应的初拉力按下式计算：Ｆｏ＝｛ （４） 一般弹簧总圈数ｎｌ＝工作圈数ｎ＋支承圈数ｎ 。 ２．５验算弹簧的稳定性 压缩弹簧的自由高度Ｈ。与中径Ｄ之比，称为高径比，即ｂ＝ 。 Ｕ 为保证弹簧工作的稳定性，最大工作载荷Ｆ：与临界载荷 之 间应满足以下关系Ｆ２≤— 了。 ～ ．） 如不满足，应重新选取参数，改变ｂ值，提高 。 ２．６绘制弹簧工作图及特性线图 图１压缩螺旋弹簧工作图 图２螺旋弹簧特性线图 ２．７强度和振动验算 对于受变载荷作用的弹簧，当载荷的作用次数Ｎ≥１０，时，应进 行疲劳强度验算；当Ｎ＜１０３或载荷变化幅度不大时，通常只进行静 强度验算；当上述两种情况不易区别时，则应同时进行 Ｔ一 ≥ｓ 两种强度验算。 （１）疲劳强度验算。圆柱形螺旋弹簧在交变载荷作用下，当载荷 在Ｆ一和Ｆ 之间循环变化时，弹簧丝内部的最大和最小切应力分 别为： ｎｍ＝Ｋ８Ｆ ； １Ｔ０ ——ｋ－８Ｆ．￣Ｃ ‘ 广。 ．ｒｒｄ￣ 疲劳强度安全系数为Ｓ： ．７＿窭虹≥Ｓ Ｔ ｒ （２）静强度验算。静强度安全系数为：Ｓ： 量一一≥Ｓ Ｔ ２．８振动验算 对于承受频率较多的变载荷弹簧，为避免发生共振而引起破坏 应进行振动验算，使其自振频率ｆ与受迫振动频率 （外载荷的频 率）之间有较大差值。 弹簧自振频率ｆ的计算式随弹簧安装形式的不同而不同。 参考文献： ［１】陈铁鸣．机械设计［Ｍ】．第４版．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００６． ［２］邱宣怀．机械设计［Ｍ］．第４版．北京：高等教育出版社，１９９７． ［３］蔡春源．新编机械设计手册【Ｍ】．沈阳：辽宁科技出版社，１９９６．
弹簧常用材料及其许用应力 2
表1 弹簧常用材料及其许用应力
③弹簧材料的拉伸强度极限，查表 2。
弹簧钢丝的拉伸强度极限 bB ( MPa)
常用旋绕比C值
普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列
导杆(导套)与弹簧间的间隙
通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸
表1弹簧常用材料及其许用应力(摘自 GBI239-1976 )
名称 组别② 许用切应力
[T ] (M Pa) 许用弯曲应 力
[(b] (MPa)
弹簧类别① 弹簧类别①
I类 II类 III类 II类 III类
碳素弹 I 组,ll,lla
簧钢丝 组,III组
特殊用
0.3 &
0.4 B- 0.5 B 0.5 B 0.625 B!
途碳素 甲组，乙 ③
弹簧钢 组，丙组
丝
硅锰合
金弹簧
471 628 785 785 981
钢丝
45 -
78500 196000
50 切变模量 弹性模量 推荐硬 推荐使
G E 度 用温度
(MPa) (MPa) (HRC) (C)
0.5 < d < 4 0.5 < d < 4
81400 〜 203000 〜
78500 201000 -40〜
+ 120
d>4 d>4
78500 196000
特性及用途
强度高，韧性好,
适用于做小弹簧
弹性好，回火稳定
-40
+200 性好，易脱碳，用
于制造大载荷弹簧
注：① 弹簧按载荷性质分为三类:
I类一受变载荷作用次数在 106以上的弹簧;
II类一受变载荷作用次数在 103~10 5及冲击载荷的弹簧;
III类一受变载荷作用次数在 103下的弹簧。
②碳素弹簧钢丝的组别见表 表2弹簧钢丝的拉伸强度极限 o ( MPa)
注：表中OB均为下限值。
碳素弹簧钢丝 特殊用途碳素弹簧钢丝 重要用途弹簧钢丝
钢丝直径
d(mm) I组 II组Ila组 III组 钢丝直径