第15章 弹 簧* 15.1 概 述 15.2 圆柱螺旋弹簧 15.3 弹簧常用材料

15.1 概述 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于： 15.1 概述 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于： （1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制 弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。 （2）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧， 以及各种缓冲器用的弹簧等。 （3）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。 （4）测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。

拉伸弹簧 压缩弹簧 按照所承受的载荷不同 扭转弹簧 弯曲弹簧 类 型

拉伸弹簧 压缩弹簧 扭转弹簧

拉伸弹簧 压缩弹簧 按照所承受的载荷不同 扭转弹簧 弯曲弹簧 类 型 螺旋弹簧 环形弹簧 按照弹簧的形状不同 板 簧 盘 簧 表15－1中列出了弹簧的基本类型。

环形弹簧 板 簧

p 表15－1 弹簧的基本类型 弯曲 扭转 压缩 — 拉伸 其他形 螺旋形 按形状分 按载荷分 圆柱螺旋 拉伸弹簧 圆锥螺旋 压缩弹簧 表15－1 弹簧的基本类型 弯曲 扭转 压缩 — 拉伸 其他形 螺旋形 按形状分 按载荷分 圆柱螺旋 拉伸弹簧 压缩弹簧 圆锥螺旋 扭转弹簧 环形弹簧 碟形弹簧 蜗卷形弹簧 板簧 p

15.2 圆柱螺旋弹簧 在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。 15.2.1 圆柱拉、压螺旋弹簧的结构 圆柱螺旋弹簧分压缩弹簧和拉伸弹簧。 15.2 圆柱螺旋弹簧 在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。 15.2.1 圆柱拉、压螺旋弹簧的结构 圆柱螺旋弹簧分压缩弹簧和拉伸弹簧。 压缩弹簧如图15-1所示。通常其两端的端面圈并紧并磨平(代号：YⅠ)。 还有一种两个端面圈并紧但不磨平(代号：YⅢ)。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15－1 压缩弹簧

拉伸弹簧如图15-2所示，其中a和b为半圆形钩和圆环钩；c为可调式挂钩，用于受力较大时。 图15－2 拉伸弹簧 (a)LI型 (b)LⅡ型 (c)LⅢ型

15.2.2 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸 圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：弹簧丝直径d、外径 D、内径 D1、中径 D2、节距p、螺旋升角、自由高度（压缩弹簧）或长度（拉伸弹簧）H0。此外还有有限圈数n，总圈数nl。 D2 D H0 p d D1 a 图15－3 圆柱形拉压螺旋弹簧 （a） （b）

表15－2 圆柱形压缩、拉伸螺旋弹簧的几何尺寸计算公式 L= D2n+钩部展开长度 L= D2n1/cos 展开长度L b=H0/D2 压缩弹簧高径比b =0 =p-d 间距 P=d P=d+ 节距p Hn= H0－ 工作高度或长度H0 LI型H0=(n+1)d+D1 LII型H0=(n+1)d+2D1 LIII型H0=(n+1.5)d+2D1 两端圈磨平n1=n+1.5时，H0=np+d n1=n+2时， H0=np+1.5d n1=n+2.5时, H0=np+2d 两端圈不磨平n1=n+2时， H0=np+3d n1=n+2.5时, H0=np+3.5d 自由高度或长度H0 压缩：n1=n+(2~2.5)(冷卷)；拉伸：n1=n n1=n+(1.5~2)(YII型热卷)；n1的尾数为1/4、1/2、3/4或整圈数，推荐用1/2圈 总圈数n1 由变形条件计算确定 一般n>2 有效圈数n =arctan p/ D2 对压缩弹簧，推荐 ＝5°～9° 螺旋升角 C= D2/d 一般4<C<16 弹簧指数C D1= D2＋d 弹簧外径D D1= D2－d 弹簧内径D1 D2=Cd 弹簧中径D2 由强度计算公式确定 弹簧丝直径d 拉伸螺旋弹簧 压缩螺旋弹簧 名称与代号

定义弹簧指数C为弹簧中径D2和簧丝直径d的比值，即：C=D2/d。通常C值在4~16范围内，可按表15-3选取。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。 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

15.2.3 圆柱螺旋弹簧的特性曲线 弹簧应在弹性极限内工作，不允许有塑性变形。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。压缩螺旋弹簧的特性曲线如图15－4所示。

的h=max-min，称为弹簧的工作 行程。 度； H0 H1 d D1 H2 Hlim D p D2 h F U a （a） （b） 图15－4 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线图 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min； 在弹簧的最大工作载荷Fmax作 用下，弹簧的压缩变形量增至 max。 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lim，弹簧丝应力达到 了材料的弹性极限。此处，图中 的h=max-min，称为弹簧的工作 行程。

拉伸螺旋弹簧的特性曲线如图15－15所示。按卷绕方法的不同，拉伸弹簧分为无初应力和有初应力两种。 H0 H1 H2 F Hlim U h x F0 （a） （b） （c） 有初应力 无初应力 图15－5圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线 无初应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同：有初应力的拉伸弹簧的特性曲线，如图15-5c所示，有一段假想的变形量X，相应的初拉力F0，为克服这段假想变形量使弹簧开始变形所需的初拉力，当工作载荷大于F0时，弹簧才开始伸长。

对于一般拉、压螺旋弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin0.2Flim； 弹簧的工作载荷应小于极限载荷，通常取Fmax0.8Flim 因此，为保持弹簧的线性特性，弹簧的工作变形量应取在（0.2~0.8）lim范围。

15.3 弹簧常用材料 常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。 15.3 弹簧常用材料 常用的弹簧材料有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈钢和铜合金材料以及非金属材料。 选用材料的根据:弹簧的功用、载荷大小、载荷性质及循环特性、工作强度、周围介质以及重要程度。 弹簧常用材料的性能和许用应力见表15－4。

表15－4 弹簧材料和许用应力 类别 牌号 压缩弹簧许用剪切应力[τ]/MPa 许用弯曲应力[σb]/MPa 切变模量G/MPa 表15－4 弹簧材料和许用应力 类别 牌号 压缩弹簧许用剪切应力[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 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 钢丝 碳素弹簧钢丝琴钢丝 (0.3~0.38) σb (0.38~0.45) σb 0.5 σb (0.6~0.68) σb 0.8 σb 79 × 103 206 － －40 ~120 强度高，性能好，适用于做小弹簧，如安全阀弹簧，或要求不高的大弹簧 油淬火-回火碳素弹簧钢丝 (0.35~0.4) σb (0.4~0.47) σb 0.55 σb 65Mn 340 455 570 710 60Si2Mn 60Si2MnA 445 590 740 925 45~50 ~200 弹性好，回火稳定性好。易脱碳、用于受大载荷的弹簧，60Si2Mn可做汽车拖拉机弹簧， 60Si2MnA可做机车缓冲弹簧 50CrVA ~210 用做截面大高应力的弹簧，亦用于变载荷高温作用的弹簧 65Si2MnWA 60Si2CrVA 560 745 931 1167 47~52 250 强度高，耐高温，耐冲击，弹性好 30W4Cr2VA 442 588 735 920 43~47 ~350 高温时强度高，淬透性好