机械设计基础14弹簧

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1、第14章弹簧●14.1弹簧的功用、类型和材料●14.1.1弹簧的功用●14.1.2弹簧的类型●14.1.3常用的弹簧材料及许用应力●14.2圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构和制造●14.2.1圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构●14.2.2圆柱螺旋弹簧的制造●14.3圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计●14.3.1弹簧的特性曲线●14.3.2应力、变形和稳定性计算●14.3.3弹簧的主要参数和几何尺寸计算●14.3.4弹簧的设计计算●本章习题●14.1弹簧的功用、类型和材料弹簧是机械设备中广泛应用的一种弹性元件。它是利用材料的弹性和结构特点，通过变形提供弹性力和储存能量

2、来进行工作的。与多数零件不同，对弹簧的主要要求是弹性好，能多次重复地随外载荷的大小作相应的弹性变形，卸载后又能立即恢复原状。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。●14.1.2弹簧的类型●14.1.1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。1.螺旋弹簧螺旋弹簧是用金属丝

3、按螺旋线卷绕而成的。按照所能承受载荷的不同，分为拉伸弹簧[如图14.1(a)所示]、压缩弹簧[如图14.1(b)、(c)、(d)所示]、扭转弹簧[如图14.1(e)所示]等。按照轴向形状的不同，可分为圆柱形弹簧[如图14.1(a)、(b)、(c)、(e)所示]、圆锥形弹簧[如图14.1(d)所示]等。圆柱形弹簧因其受力与变形成正比，便于生产，故应用最广；圆锥形弹簧具有防共振的能力，稳定性好，多用于承受较大的载荷和减振。按照金属丝横截面形状的不同，分为圆形截面弹簧[如图14.1(a)、(b)、(d)、(e)所示]和矩形截面弹簧[如图14.1(c)所示]等。在所占

4、空间相同时，后者能吸收的能量多。(a)圆柱形拉伸弹簧(b)圆截面圆柱形压缩弹簧(c)矩形截面圆柱形压缩弹簧(d)圆锥形压缩弹簧(e)扭转弹簧图14.1螺旋弹簧(a)环形弹簧(b)碟形弹簧(c)平面涡卷弹簧(d)板弹簧图14.2非螺旋弹簧2.环形弹簧和碟形弹簧环形弹簧[如图14.2(a)所示]和碟形弹簧[如图14.2(b)所示]都是压缩弹簧，在工作过程中，其一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上，因此具有很强的缓冲吸振能力，多用于重型机械的缓冲装置。3.平面涡卷弹簧这种弹簧又称盘簧[如图14.2(c)所示]，其轴向尺寸很小，常用做仪表和钟表的储能装置。4.板弹簧板弹簧

5、[如图14.2(d)所示]是由许多长度不同的钢板叠合而成，主要用做各种车辆的减振装置。按制作弹簧材料的不同，弹簧还可分为金属弹簧和非金属弹簧。上述弹簧都是金属弹簧，而弹性套柱销联轴器中的弹性套是用橡胶制成的弹簧，图14.3所示为单囊式空气弹簧。下面仅介绍广泛使用的金属弹簧材料。图14.3单囊式空气弹簧●14.1.3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

6、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弹性，不适合在高于120℃的温度下工作；弹簧钢丝直径大于12mm时，不易淬透，只适用于制造小尺寸的弹簧。2.许用应力弹簧丝常用材料的许用应力、特点及应用列于表14-1。许用应力与载荷性质有关，作用次数在次以上的变载荷属于Ⅰ类载荷，如内燃机阀门弹簧、电磁闸瓦制

7、动器弹簧受到的载荷；作用次数在～次的变载荷以及冲击载荷属于Ⅱ类载荷，如调速器弹簧、一般车辆弹簧受到的载荷；作用次数在次以下的变载荷(即基本为静载荷)属于Ⅲ类载荷，如一般溢流阀弹簧、摩托车摩擦式安全离合器弹簧等受到的载荷。碳素弹簧钢丝的许用应力还与其抗拉强度极限有关，其抗拉强度极限见表14-2。按用于制作低应力、中等应力和高应力三种弹簧的情况，应分别选用B、C和D三个等级的碳素弹簧钢丝。合金弹簧钢，如硅锰钢和铬钒钢等，用于制作承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。有色金属合金，如硅青铜、锡青铜和铍青铜等，用于制作在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧。表1

8、4-1螺旋弹簧的常用材料和许用应力表1