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第十五章 弹簧. 15.1 弹簧的功用和类型. 15.1.1 弹簧的主要功用 1. 控制机构的运动或零件的位置. 这类弹簧要求在某一定变形范围内的刚度变化不大. 2. 缓和冲击和吸收振动 汽车、火车中的缓冲弹簧，这类弹簧具有较大的弹性变形能力 3. 储存能量 钟表、枪机弹簧，这种弹簧既要求有较大的弹性，又要求作用力较稳定。 4. 测量力的大小 测力仪及弹簧秤中的弹簧，这类弹簧要求其受力与变形呈线性关系. 15.1.2 弹簧的种类. 按承受载荷的不同可分为 —— 拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。
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15.1 弹簧的功用和类型 • 15.1.1 弹簧的主要功用 1.控制机构的运动或零件的位置 这类弹簧要求在某一定变形范围内的刚度变化不大
2.缓和冲击和吸收振动 汽车、火车中的缓冲弹簧，这类弹簧具有较大的弹性变形能力 • 3.储存能量 钟表、枪机弹簧，这种弹簧既要求有较大的弹性，又要求作用力较稳定。 • 4.测量力的大小 测力仪及弹簧秤中的弹簧，这类弹簧要求其受力与变形呈线性关系
15.1.2 弹簧的种类 • 按承受载荷的不同可分为——拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等。 • 按弹簧形状不同可分为——螺旋弹簧、碟型弹簧、环形弹簧、盘簧、板弹簧等。
15.2 圆柱螺旋弹簧的材料、制造和许用应力 • 15.2.1 弹簧的材料选择及制造 • 一、弹簧的材料 对弹簧的材料的主要要求是： 1.必须有较高的弹性极限、强度极限、疲劳极限和冲击韧性； 2.具有良好的热处理性能,热处理后应有足够的经久不变的弹性； 3.对冷拔材料要求有均匀的硬度和良好的塑性。 常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢等
二、弹簧的制造 • 螺旋弹簧的制造过程主要包括： • 1）卷绕：冷卷法，热卷法 冷卷法用于弹簧丝直径<8mm,预热处理+卷绕+低温回火。 热卷法用于弹簧丝直径>8mm, 热卷+淬火+回火。
（3）热处理 • （4）工艺试验及必要的强压或喷丸等强化处理。 • 15.2.2 弹簧材料的许用应力 • 弹簧材料的许用应力与弹簧的类型、材料、弹簧钢丝直径和载荷性质有关。
根据变载荷的作用次数以及弹簧的重要程度将弹簧分三类：根据变载荷的作用次数以及弹簧的重要程度将弹簧分三类： • I类—受变载荷的作用次数在 以上或很重要的弹簧。 • II类—受变载荷的作用次数在 次及承受冲击载荷的弹簧。 • Ⅲ类—受变载荷的作用次数在 次以下及受静载荷的一般弹簧。
15.3 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧设计 15.3.1 圆柱螺旋弹簧的结构尺寸和特性曲线 1 圆柱螺旋压缩弹簧结构和尺寸 H0—自由高度 δ—各圈之间的间隙 δ1—余隙
支承圈(死圈):0.75~1.25圈 弹簧的主要几何参数： 外径D 螺旋升角α 中径D2 弹簧丝直径d 内径D1 自由高度H0 节距t 工作圈数n 弹簧指数C=D2/d
压缩弹簧的结构尺寸 总圈数： 节距 见表15.4 间距 式中： 为最大工作载荷 作用时弹簧的变形量
螺旋升角： 弹簧丝展开长度 自由高度 对于两端并紧不磨平的结构 对于两端并紧磨平的结构 式中（n1+1)d和（n1-0.5)d分别为两种压缩弹簧并紧时的高度
2 圆柱螺旋压缩弹簧的特性线 • 圆柱弹簧的载荷—变形曲线，称为弹簧特性曲线 • 对于等节距的圆柱螺旋弹簧，载荷与变形成正比。
F1—最小工作载荷 F2 —最大工作载荷 Flim —极限载荷 H1、H2、Hlim—分别对应上述三种载荷作用时的弹簧高度 —分别对应于上述三种载荷作用时的弹簧变形 3 拉伸弹簧的结构特点
15.3.2 圆柱螺旋弹簧的应力和变形 1 弹簧的应力 通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的剖面为椭圆形。 垂直弹簧丝的截面上，弹簧丝的剖面为圆形。 因为螺旋升角α=5~7度，可简略把椭圆形视为圆形。
该剖面上作用着力F及扭矩T=FD2/2 该剖面上应力
考虑弹簧升角α和曲率的影响，引进曲度系数k1最大应力可近似取：考虑弹簧升角α和曲率的影响，引进曲度系数k1最大应力可近似取： C=D2/d 称为旋绕比（又称弹簧指数），是衡量弹簧曲率的重要参数。
2 弹簧的变形 式中：n—弹簧的工作圈数 G—弹簧的切变模量 弹簧刚度：使弹簧产生单位变形量所需要的载荷 弹簧的刚度是表征弹簧性能的主要参数。刚度越大，弹簧变形所需要的力就越大。 影响弹簧刚度的因素：C、G、d、n
当其它条件相同时，旋绕比C越小，弹簧刚度越大；反之，则弹簧刚度越小。当其它条件相同时，旋绕比C越小，弹簧刚度越大；反之，则弹簧刚度越小。 若C值过小，会使弹簧卷绕困难，并在弹簧内侧引起过大的应力。 若C值过大，则弹簧易颤动。 一般规定C≥4，通常C取值范围为4~16，常用值为5~8。
15.3.3 弹簧的设计计算步骤 • 1. 根据工作条件和载荷情况选择弹簧材料和确定许用应力。 • 2 选择旋绕比C、计算曲度系数k1 • 3.根据强度条件试算弹簧丝直径 。 • 4.刚度计算：确定工作圈数
5. 验算稳定性。 • 为了保证压缩弹簧的平稳性，弹簧的高径比 不应超过许用值 • 当两端固定时，取b<5.3 • 一端固定，另一端自由转动 • 取b<3.7 • 两端自由转动，取b<2.6
若b不能满足上述条件，且又受结构限制不能重选参数时，可外加导向套或内加导向杆来增加弹簧的稳定性若b不能满足上述条件，且又受结构限制不能重选参数时，可外加导向套或内加导向杆来增加弹簧的稳定性
结构设计 • 计算全部有关尺寸 • 7 绘制弹簧工作图
