弹簧常用材料及其许用应力教学文案
弹簧的原理和应用教案设计
弹簧的原理和应用教案设计一、引言弹簧作为一种常见的机械装置，广泛应用于工程、机械、汽车等众多领域。
在此教案中，我们将带领学生了解弹簧的原理和应用，通过实验和讨论，让学生更深入地理解弹簧的工作原理和其在实际生活中的应用。
二、教学目标1.了解弹簧的定义和分类；2.掌握弹簧的基本原理；3.了解弹簧在实际应用中的作用；4.能够通过实验观察和讨论，探究弹簧的工作原理。
三、教学内容3.1 弹簧的定义和分类1.弹簧的定义：弹簧是一种长条形或盘形的弹性金属装置，能够在受力作用下发生变形，并在去除外力后恢复原状。
2.弹簧的分类：–按形状分类：圆柱形弹簧、盘形弹簧、螺旋形弹簧等；–按材料分类：钢制弹簧、橡胶弹簧、气体弹簧等；–按用途分类：扩展弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧等。
3.2 弹簧的基本原理1.弹性力的产生：弹簧的弹性力是通过弹性变形产生的，当外力作用于弹簧时，使弹簧发生变形，弹簧内部的分子间力发生变化，从而产生弹性力。
2.胡克定律：胡克定律描述了弹簧的弹性变形与受力的关系，公式为 F= kx，其中 F 表示弹性力，k 表示弹簧的弹性系数，x 表示弹簧的伸长长度。
3.力的平衡：弹簧在受力作用下，会产生形变，当作用在弹簧上的外力平衡弹簧的弹性力时，达到力的平衡状态。
3.3 弹簧的应用1.弹簧在机械领域的应用：–悬挂系统：弹簧作为悬挂系统中的重要组成部分，能够缓冲车辆运动时的震动，提高乘坐的舒适度；–制动系统：弹簧在制动系统中起到保持刹车片与刹车盘接触的作用，从而实现制动效果；–传动系统：弹簧作为传动系统中的一种弹性元件，能够实现机械装置的联结和转动的平稳性。
2.弹簧在生活中的应用：–家具：弹簧在床垫、沙发等家具中的应用，能够提供更好的支撑和舒适度；–文具：弹簧夹在文具中起到固定纸张的作用，如文件夹、回形针等；–其他应用：弹簧还广泛应用于各类工具、电器和玩具等领域。
四、教学过程4.1 导入新知通过播放介绍弹簧的视频，激发学生对弹簧的兴趣，并引出弹簧的定义和分类。
机械设计-弹簧
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
F2F lim
潘存云教授研制
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。 F min=（0.1~0.5）F max
M=Tsinα
αT
F F“
α
B
A
A—A
B—B
扭矩 T'=Tcosα 弯矩 M=Tsinα
T
T'
d
潘存云教授研制
∵α=5?~9? ∴ sin α≈0, cosα≈1
故截面B—B上的载荷可近似取为： F
F
横向力 F
扭矩 T'=F ·D2/2
2. 弹簧的应力
截面受力 扭切应力
? 剪切力： F
?
? ??
扭矩：
p=(0.28~0.5)D
δ=p-d
L=π-c-o-Ds-nα-1
n1=n p=d
拉伸潘存弹云教簧授n研制1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=tan -1(p/πD)
ms=π--4d-2-Lγ
对压缩螺旋弹簧，推 荐用α=5? ~9?
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。
2. 弹簧的许用应力
弹簧优秀课件
为弹簧没受外力时旳自由长度。弹簧在工作前，常预受一压 缩力Fmin，称为最小载荷，也可称为安装载荷，弹簧在最小 载荷作用下可靠地稳定在安装位置上，这时弹簧旳长度为H1， 此时相应旳压缩变形量为 。
上一页 下一页 返回
上一页 下一页 返回
15.2 弹簧旳材料和制造
工艺试验旳目旳是检验热处理效果和弹簧旳缺陷(裂纹、伤 痕和脱碳现象等)。弹簧丝旳表面情况直接影响弹簧旳持久强 度和抗冲击强度，故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旳持久强度和抗冲击性能。
强压处理是使弹簧在超出极限载荷作用下连续6~48h，以便 使弹簧丝截面旳表层高应力区产生塑性变形和有益旳与工作 应力反向旳残余应力，使弹簧在工作时最大应力下降，从而 提升弹簧旳承载能力。但用于长久振动、高温或腐蚀性介质 中旳弹簧，不宜进行强压处理。
上一页 下一页 返回
15.2 弹簧旳材料和制造
喷丸处理是在热处理后用钢丸或砂子高速喷射弹簧表面， 使其表面受到冷作硬化，产生有益旳残余压应力，改善弹簧 表面质量，所以是提升疲劳强度和冲击韧性旳有效措施。实 践表白，弹簧经喷丸处理后，可提升疲劳强度达50%。
对于主要用途旳弹簧还需进行如镀锌等表面保护处理，一 般弹簧一般进行涂漆处理。
弹簧在工作时常受到变载荷或冲击载荷旳作用，其破坏形 式主要是疲劳破坏。为了使弹簧能确保持久可靠地工作，所 选择旳材料应具有足够旳屈服极限、疲劳极限、冲击韧性、 塑性和良好旳热处理性。常用旳金属弹簧材料有碳素弹簧钢、 合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料等。选择材料时，应根据 弹簧旳功用、主要程度、工作条件、加工、热处理及经济性 等诸多原因来选用不同旳材料。常用弹簧材料旳性能、用途 及许用应力见表15-2。
小学教育ppt课件教案研究弹簧的原理及其应用
弹簧在反复加载和卸载过程中，其材料会 逐渐产生疲劳损伤，导致弹簧失效。因此 ，在设计弹簧时需要考虑其疲劳强度。
02 弹簧在日常生活中的应用
CHAPTER
家具与家居用品
01
02
03
床垫
弹簧床垫通过弹簧的弹性 支撑，提供舒适的睡眠体 验。
沙发
沙发中的弹簧结构能够增 加坐垫的弹性和舒适度。
门窗
弹簧用于门窗的闭合装置 ，如弹簧铰链和自动闭门 器，方便开关并保持门窗 紧闭。
定期清洁
定期清除弹簧表面的灰尘、油污等杂质，保持其清洁干燥。
防腐处理
对于暴露在外的弹簧，可定期进行防腐处理，如涂防锈油等，以延 长其使用寿命。
检查与更换
定期对弹簧进行检查，发现变形、断裂等异常情况及时更换。
常见故障排查与处理方法
1 2
弹簧变形
可能是由于超负荷使用或长时间受力导致，应更 换新弹簧。
弹簧断裂
01
压力传感器
弹簧可以作为压力传感器的敏感元件，将压力变化转化为位移变化，进
ห้องสมุดไป่ตู้
而被测量和记录。
02
加速度传感器
在加速度传感器中，弹簧可以作为质量块的支撑元件，当加速度变化时
，质量块对弹簧的压缩或拉伸程度发生变化，从而被测量和记录。
03
位移传感器
弹簧可以作为位移传感器的测量元件，将位移变化转化为电信号输出，
机器人技术中的应用
关节驱动
在机器人关节设计中，弹簧可以作为驱动元件， 提供关节运动所需的驱动力和扭矩。
缓冲保护
在机器人运动过程中，弹簧可以起到缓冲保护的 作用，减少机器人受到的冲击和振动。
弹性连接
在机器人结构中，弹簧可以作为弹性连接元件， 连接不同部件，保证结构的稳定性和灵活性。
弹簧用材料讲解
Sino-i Technology Ltd.
2. 较高的强度 ITSM / ITIL
02
1
国内研究 国外研究 为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料应
具有高的屈服强度与弹性极限，尤其要有高的屈强比(／)
。在通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度成正比，因
此弹簧设计和制造者总是希望材料具有高的屈服强度．而
60SiCr7
Sino-i Technology Ltd.
2ITSM / ITIL 弹簧材料应具有的性 能
02
1国.内较研高究的强度 国外研究
2.良好的塑性和韧性 3.优良的表面状态和疲劳性能 4.严格的尺寸精度 5.好的均匀性
6.必须具有优良的冶金质量
Copyright © Sino-i Technology Limited All rights reserved
集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳
源。疲劳源还易在表面脱碳的部位首先发生，因此严
格控制脱碳层深度也是一个很重要的质量指标。为提
高弹簧材料的表面质量，可以对材料表面进行磨光或
Copyright © Sino-i Technology Limited All rights reserved
Sino-i Technology Ltd.
02
2
国在内弹簧研制造究过程中材料需经国受不外同研程度究的加工变
形，因此要求材料具有一定的塑性。例如形状复杂的 拉伸和扭转弹簧的钩环及扭臂，当曲率半径很小时， 在加工卷绕或冲压弯曲成形时，弹簧材料均不得出现 裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载 荷时，材料应具有良好的韧性，这样对提高弹簧的使 用寿命会有很大的裨益。
由于硅能溶人铁
机械设计基础-弹簧
压缩弹簧的 特性曲线
λ
F1 FF2 lim
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。 F1=（0.1~0.5）F2
最小变形--- λ1
最大工作载荷--- F2
在F2的作用下，τmax<[τ ]
F
F2Flim压缩弹簧的
特性曲线
F1 arctEgk
λ1 λ0
λ
λ2
λlim
max
lim
Flim
（b）
Flim
（c）
当工作载荷大于F0时，弹 簧才开始伸长。
图15－5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线
对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取 为F min=(0.1~0.5) F max ；
对于有初拉力的拉伸弹簧Fmin>F0 ； 弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取 Fmax0.8Flim
因此，为保持弹簧的线性特性，弹簧的工作变形 量应取在（0.1~0.8）lim范围。
15.4 圆柱螺旋弹簧的设计计算
主要任务：根据弹簧的使用要求，确定弹簧的结构尺 寸和参数，并满足强度、刚度、稳定性及结构要求。
一、弹簧的应力 弹簧在受压或受拉时，受
力情况是一样的。
弹簧的强度条件为：
max
K
8FC
d 2
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 温度较高的弹簧。
有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。 优点：耐腐蚀性好，防磁性、弹性好。
非金属材料：塑料、橡胶等。
《弹簧与弹性》 讲义
《弹簧与弹性》讲义一、引言在我们的日常生活和各种工程领域中，弹簧是一种常见但又十分重要的元件。
而弹簧之所以能够发挥作用，关键就在于其具有的弹性特性。
接下来，让我们深入了解一下弹簧与弹性的相关知识。
二、弹簧的定义与类型（一）弹簧的定义弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。
它通常由弹性材料制成，在外力作用下会发生形变，当外力消失后又能恢复原状。
（二）弹簧的类型1、压缩弹簧压缩弹簧是承受轴向压力的螺旋弹簧。
在压力作用下，它会被压缩，储存能量。
常用于减震、缓冲等场合。
2、拉伸弹簧拉伸弹簧是承受轴向拉力的螺旋弹簧。
在拉力作用下，它会被拉长，同样能够储存能量。
常见于机械传动、玩具等领域。
3、扭转弹簧扭转弹簧通过扭转产生弹性力。
它主要用于控制旋转运动或扭矩传递。
三、弹性的基本概念（一）弹性的定义物体在受到外力作用时会发生形变，当外力撤销后能够恢复原来形状和尺寸的性质称为弹性。
（二）弹性形变弹性形变是指物体在弹性限度内发生的形变。
如果外力过大，超过了物体的弹性限度，物体就会发生塑性形变，无法恢复原状。
四、弹簧的弹性特性（一）胡克定律弹簧的伸长或缩短量与作用在弹簧上的力成正比，这就是胡克定律。
其表达式为 F ＝ kx，其中 F 是弹簧所受的力，x 是弹簧的伸长或缩短量，k 是弹簧的劲度系数。
（二）劲度系数劲度系数 k 是弹簧的一个重要参数，它反映了弹簧的“软硬”程度。
k 值越大，弹簧越“硬”，需要更大的力才能使其产生相同的形变；k 值越小，弹簧越“软”，较小的力就能使其产生较大的形变。
五、弹簧与弹性在实际中的应用（一）汽车悬挂系统汽车的悬挂系统中广泛使用了弹簧。
压缩弹簧和拉伸弹簧的组合能够有效地吸收路面的颠簸和震动，提供舒适的驾乘体验。
（二）钟表钟表中的发条就是一种扭转弹簧。
通过上紧发条，储存弹性势能，然后逐渐释放，驱动钟表的运转。
（三）医疗器械在一些医疗器械中，如血压计，利用弹簧的弹性来测量血压的变化。
（四）玩具玩具中的弹弓、跳跳蛙等，都是利用弹簧的弹性来实现其功能的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
名称 组别② 许用切应力 [τ] (MPa) 许用弯曲应力 [σb] (MPa) 切变模量 G (MPa) 弹性模量 E (MPa) 推荐硬度 (HRC) 推荐使用温度 (℃) 特性及用途 弹簧类别① 弹簧类别①
I类 II类 III类 II类 III类 碳素弹簧钢丝 I组,II,IIa组,III组
0.3σB
③ 0.4σB 0.5σB 0.5σB 0.625σB 0.5≤d≤4 81400～78500 d>4 78500 0.5≤d≤4 203000～201000 d>4 196000 -40～+120 强度高，韧性好，适用于做小弹簧 特殊用
途碳素弹簧钢丝 甲组，乙组，丙组
硅锰合金弹簧钢丝 471 628 785 785 981 78500 196000 45～50 -40～+200 弹性好，回火稳定性好，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103~105
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2。 ③ 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σB（MPa） 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IIa组 III组 钢丝直径 d(mm) 甲组 乙组 丙组 钢丝直径
d(mm) 65Mn
0.32～0.6 0.63～0.8 0.85～0.9 1 1.1～1.2 1.3～1.4 1.5～1.6 1.7～1.8 2 2.2 2.5 2.8 3 3.2 3.4～3.6 4 4.5～5 5.6～6 6.3～8 2599 2550 2501 2452 2354 2256 2157 2059 1961 1863 1765 1716 1667 1667 1618 1569 1471 1422 2157 2108 2059 2010 1912 1863 1814 1765 1765 1667 1618 1618 1618 1520 1520 1471 1373 1324 1226 1667 1667 1618 1618 1520 1471 1422 1373 1373 1373 1275 1275 1275 1177 1177 1128 1079 1030 981 0.2～0.55 0.6～0.8 0.9～1 1.1 1.2～1.3 1.4～1.5 2844 2795 2746 2697 2648 2599 2599 2501 2403 2550 2501 2452 2452 2354 2256 1～1.2 1.4～1.6 1.8～2 2.2～2.5 2.8～3.4 3.5 3.8～4.2 4.5 4.8～5.3 5.5～6 1765 1716
1667 1618
1569 1471 1422 1373 1324 1275
注：表中σB均为下限值。 表3 常用旋绕比C值 d(mm) 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
表4 普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列 (摘自GB1358-1993) 弹簧丝直径 d(mm) 第一系列
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.8 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 0.7 0.9 1.4 (1.5) 1.8 2.2 2.8 3.2 3.8 4.2 5.5 7 9 14 18 22 (27) 28 32 (36) 38 42 55 65
弹簧中径 D2(mm)
第一系列
0.4 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 7 8 9 10 12 16 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 180 200 220 240 260 280 300 320 360 400
第二系列 1.4 1.8 2.2 2.8 3.2 3.8 4.2 4.8 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 14 18 22 28 32 38 42 48 52 58 65 75 85 95 105 115 125 135 145 170 190 210 230 250 270 290 340 380 450
有效圈数 n(圈) 压缩弹簧
2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30
拉伸弹簧 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90 100
自由高度 H0(mm) 压缩弹簧 （推荐选用）
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30 32 35 38 40 42
45 48 50 52 55 58 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 130 140 150 160 170 180 190 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 450 480 500 520 550 580 600 620 650 680 700 720 750 780 800 850 900 950 1000
注：1）本表适用于压缩,拉伸和扭转的圆截面弹簧丝的圆柱螺旋弹簧。 2）应优先采用第一系列。括号内尺寸只限于老产品采用。 3）拉伸弹簧有效圈数除去表中规定外,由于两勾环相对位置不同,其尾数还0.25,0.5,0.75
表5 导杆（导套）与弹簧间的间隙 中径D2(mm) ≤5 >5～10 >10～18 >18～30 >30～50 >50～80 >80～120 >120～150
间隙c(mm) 0.6 1 2 3 4 5 6 7 表6 通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸 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 按表4取标准值 内 径D1 D1=D2-d
外 径D D=D2+d
旋绕比C C=D2/d
压缩弹簧长细比b b=H0/D2 b在1～5.3的范围内选取
自由高度或长度H0
H0≈pn+(1.5～2)d （两端并紧，磨平） H0≈pn+(3～3.5)d （两端并紧，不磨平）
H0=nd+钩环轴向长度
工作高度或长度 H1,H2,…,Hn
Hn=H0-λn Hn=H0+λn λn--工作变形量
有效圈数n 根据所要求的变形量计算 n≥2
总圈数n1
n1=n+(2～2.5)（冷卷） n1=n+(1.5～2) （YII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δ δ=p-d
展开长度L L=πD2n1/cosα L≈πD2n+钩环展开长度
螺旋角α α=arctg(p/πD2)
对压缩螺旋弹簧，推荐
α=5°～9°
质 量ms ms=
γ为材料的密度，对各种钢，γ=7700kg/；对铍青铜，γ=8100kg/ 2）节距p； 3）螺旋升角α：。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，无特殊要求时，一般都用右旋。
二、普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸 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 按表4取标准值 内 径D1 D1=D2-d
外 径D D=D2+d
旋绕比C C=D2/d
压缩弹簧长细比b b=H0/D2 b在1～5.3的范围内选取
自由高度或长度H0
H0≈pn+(1.5～2)d
（两端并紧，磨平） H0=nd+钩环轴向长度