机械设计基础 第四十八讲 主讲教师：曾平　　　　　　　　　　　　　　　　学时：４８

第十五章 弹 簧 学习内容 学习要求 思考题与习题

§15—1 概述 §15—2 弹簧的制造、材料和许用应力§15—3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的 设计计算 学 习 内 容 §15—1 概述 §15—2 弹簧的制造、材料和许用应力§15—3 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的 设计计算

学习要求： 1.了解弹簧的功用、种类结构材料和制造工艺等基础知识； 2.了解弹簧的工作特点、特性曲线、刚度和稳定性等基本概念； 3.熟悉圆柱螺旋压缩、拉伸弹簧的设计计算，主要包括强度和刚度计算、基本参数和几何尺寸计算、结构设计、特性曲线等。

§15—1 概述 一、弹簧的功用 （1）控制机构的位置和运动； （2）缓冲及吸振； （3）储存能量； （4）测量力和力矩 。 　　弹簧是一种弹性的元件，它具有刚度小、变形大、在载荷作用下易产生较大弹性变形等特点，在各类机械中应用十分广泛。 　　弹簧的主要功用有： （1）控制机构的位置和运动； （2）缓冲及吸振； （3）储存能量； （4）测量力和力矩 。

概述 二、弹簧的类型 按弹簧承受的载荷分： 按照弹簧的形状分： 拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧 弯曲弹簧 螺旋弹簧 碟形弹簧 板簧 盘簧 环形弹簧 　　螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。

概述

概述 圆柱形螺旋弹簧的结构 图示为螺旋压缩弹簧和拉伸弹簧。压簧在自由状态下各圈间应留有一定的余留间隙d1。为使载荷沿弹簧轴线传递，弹簧的两端各有3/4～5/4圈与邻圈并紧，称为死圈。死圈端部必须磨平。

概述 本章主要介绍圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧

§15—2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料 一、圆柱螺旋弹簧的结构 1、压缩弹簧 §15—2 圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料 一、圆柱螺旋弹簧的结构 1、压缩弹簧 弹簧两端的端面圈与邻圈并紧，不参与弹簧变形，只起支承的作用，俗称死圈。

如图，圆柱螺旋拉伸弹簧不受外力的自由状态，此时弹簧各圈应互相并拢。拉伸弹簧分无初拉力和有初拉力两种。 圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料 2、拉伸弹簧 如图，圆柱螺旋拉伸弹簧不受外力的自由状态，此时弹簧各圈应互相并拢。拉伸弹簧分无初拉力和有初拉力两种。 拉伸弹簧的端部结构形式

二、圆柱螺旋弹簧的制造 三、圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力 弹簧的卷制方法有冷卷法和热卷法 1、弹簧的材料 2、弹簧的许用应力 圆柱螺旋弹簧的结构、制造及材料 二、圆柱螺旋弹簧的制造 弹簧的卷制方法有冷卷法和热卷法 三、圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力 1、弹簧的材料 要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，足够的韧性和塑性，良好的热处理性能。常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢（如60、75、65Mn等）、硅锰弹簧钢（如60Si2MnA）、铬钒弹簧钢（如50Cr-VA）、不锈钢（如1Cr18Ni9）及青铜（如QBe2）等。 2、弹簧的许用应力 弹簧材料的许用应力与弹簧的受载循环次数有关.

§15—3 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计计算 F3为弹簧的极限载荷。 一、弹簧特性线(压缩弹簧) 弹簧特性线——表示弹簧载荷 与变形量之间的关系曲线． 预紧力F1称为弹簧的最小载荷。Fmax(F2)为弹簧所承受的最大工作载荷，此时，弹簧高度压缩到H2，相应变形为λmax，该时刻弹簧各圈之间仍应保留δ1的间隙，称为余隙。 F3为弹簧的极限载荷。 弹簧的工作行程λ2= λmax-λ1 载荷-变形特性线图

二、圆柱螺旋拉压弹簧的强度计算 1、弹簧受力 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 当压缩弹簧承受轴向载荷F的作用时，钢丝剖面A-A上作用着横向力F和扭矩T，A-A剖面呈椭圆形，现取垂直于钢丝轴线的剖面B-B。

2、弹簧应力 圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 压缩弹簧最大切应力发生在弹簧丝内侧,其值为: 弹簧丝直径d : 式中:K—曲度系数 C —弹簧指数（旋绕比）。 卷绕困难,且工作时弹簧内侧应力 通常C=5～10 弹簧不稳定,易颤动.

圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 三、弹簧的刚度计算 1、弹簧的变形 2、弹簧刚度和圈数 弹簧刚度 弹簧的有效圈数 弹簧的总圈数 圈

圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计计算 3、弹簧的稳定性验算 压缩弹簧的自由高度H0与中径D2之比称为高径比，以b表示,要求 当弹簧两端固定时，[b]=5.3；当弹簧一端固定，另一端铰支时，[b]=3.7。 制造弹簧的弹簧丝展开长度： 对于压缩弹簧： 式中 为未加载时的螺旋升角，一般 对于拉伸弹簧： 式中 为拉伸弹簧挂钩部分的展开长度。

小结： 强度计算－用来决定弹簧丝的直径d; 刚度计算－用来决定弹簧有效工作圈数n; 结构尺寸计算－用来确定结构尺寸及绘制 制造图纸； 　　　　　　　　制造图纸； 稳定性验算－对压缩弹簧以高径比做稳定 　　　　　　　性验算，若不满足应调整结 　　　　　　　构参数或设置导套．

祝同学们 学习顺利！

思考题与习题 1 金属弹簧按形状和承受载荷的不同，有哪些主要类型？哪种弹簧应用最广？ 1 金属弹簧按形状和承受载荷的不同，有哪些主要类型？哪种弹簧应用最广？ 2 对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？ 3 什么是弹簧的特性曲线？弹簧的刚度是如何定义的？ 4 对制造弹簧的材料有哪些主要要求？常用金属材料有哪些？

思考题与习题 试计算： 1)弹簧所能承受的最大载荷Fmax及最大载荷下的变形量λmax 2)弹簧节距t，自由高度Ho及弹簧工作圈数n； 5.已知圆柱螺旋压缩弹簧中径D2=16mm，弹簧丝直径d＝3mm，材料为碳素弹簧钢丝C级,Ⅲ类弹簧，承受静载荷，弹簧工作圈数n＝4，支承端部并紧磨平。 试计算： 1)弹簧所能承受的最大载荷Fmax及最大载荷下的变形量λmax 2)弹簧节距t，自由高度Ho及弹簧工作圈数n； 3)计算弹簧所需钢丝长度；

思考题与习题 6.设计一圆截面簧线的压缩螺旋弹簧。当最大工作载荷Fmax=1000N时，其对应的变形λmax＝15mm，所受载荷为静载荷。