第十六章 弹 簧,弹簧是内燃机设计中常遇到的一种弹性元件。,例：气门弹簧，主离合器弹簧，制动器，气动、液压装置的各种控制阀（压力阀、电磁阀、安全阀）弹簧等。要求掌握弹簧的设计方法。,16-1 弹簧的功用和类型,弹簧特点：刚性小、弹性大。（受力后得到很大的弹性变形，外力消失后，变形即消失，能恢复原状。）,1、减振和缓冲：车身弹簧、缓冲器弹簧； 2、测量力的大小：弹簧称； 3、贮存及输出能量：钟表、仪表弹簧； 4、控制机构的运动：安全阀、离合器。,一、弹簧的功用,二、弹簧的类型,1、按承受的载荷不同分：拉伸、压缩、扭转、弯曲； 2、按形状不同分：螺旋、环形、碟形、盘簧、板簧。,最常用的为圆柱形螺旋弹簧。本章仅介绍该弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。,16-2 螺旋弹簧的制造、材料及许用应力,一、制造,螺旋弹簧的卷制方法：分为冷卷、热卷两种。,1、冷卷法：d(810)mm的碳素弹簧钢丝（经预先热处理后的冷拉钢丝）。冷卷低温回（消除内应力）,2、热卷法：d(810)mm的碳素弹簧钢丝或合金钢丝（太硬）。 热卷淬火回火,强压处理：一般可提高承载能力20 。,喷丸处理：变载荷弹簧可提高承载能力3050 ，提高使用寿命22.5倍。,二、材料及许用应力,要求：弹性极限、疲劳极限高，具有足够的韧性和塑性，可热处理性好。,常用弹簧材料：,工艺试验：按技术要求进行精度、冲击、疲劳试验。,注意：簧丝表面必须光洁，无裂纹、伤痕，表面脱碳，否则会影响材料的疲劳强度和抗冲击性能。,1、碳素弹簧钢,分为、a、 四组，组强度高，a比 有更好的塑性。,优点：价格便宜，材料来源方便。,缺点：弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性， 不能在高于120 C条件下工作。,2、低锰弹簧钢（如 65Mn）,优点：淬透性好，强度高，价格便宜。用于尺寸 不大的一般机械的弹簧。,缺点：淬火后易产生裂纹及热脆性。,3、硅锰弹簧钢（如 60Si2Mn）,钢中加入了硅可显著提高弹性极限，提高回火稳定性，但含硅量高时，表面易于脱碳，而锰的脱碳性小，故钢中加入硅、锰这两种元素。,用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。,4、铬钒钢（如 50CrVA）,钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性,该材料耐疲劳,抗冲击性能良好, 能在 40350 C 下工作，但价格较贵。,用于航空发动机，如柱塞油泵弹簧。,5、其它材料,不锈钢、青铜：防腐、防磁、导电性（用于化工设备、腐蚀性介质中）。,弹簧材料的许用应力：载荷性质不同、重要性不同，则安全系数亦不同。,分成三类：,类：受变载荷作用次数在106以上的重要弹簧。（气门弹簧、制动弹簧）,类：受变载荷作用次数在103 105以上或受冲击 载荷的弹簧。（调速器弹簧、车辆弹簧）,类：受变载荷作用次数在103以下（静载荷）的弹簧。（安全阀弹簧、离合器弹簧）,16-3 圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算,一、几何参数及特性曲线,1、压缩弹簧,死圈：弹簧端部只起支承作用，不参与变形的圈。,当n(工作圈数) 7时，为 0.75圈；n7时，为11.75圈（每端）,按端部结构分：,Y ：并紧并磨平。,Y ：并紧不磨平。,Y ：并紧，锻平（热卷） 亦可磨平。,重要场合： Y型，保证垂直。,结构尺寸：,d 弹簧直径，（关键尺寸）d, 强度。,D2 中径 D2 =C d C 弹簧指数 C = D2 / d,D 外径 D = D2 +d,D1 内径 D1 = D2 d, 轴向间隙 =td,n 工作圈数（有效圈数） n2,n1 总圈数 n1=n+(22. 5) 冷卷 n1=n+(1. 52) YI型热卷，推荐n1尾数为1/2圈,一般：d0.5mm可不磨平， d0.5mm可磨平。,L展开长度,特性曲线： 为保证弹簧具有弹性，即不产 生永久变形，弹簧应在弹性极 限内工作。,特性曲线表示载荷P与变形的关系曲线.,Pmin最小工作载荷（使弹簧可靠地安装），亦称 安装载荷。一般 Pmin=(0.10.5) Pmax,Pmax最大工作载荷（达到或接近许用应力值）。,Plim 极限载荷（达到材料的弹性极限）。,H1、 H2、 H3三种载荷下对应的弹簧高度。,min、max、lim 三种载荷下对应的 压缩变形量。,h弹簧的工作行程 h= maxmin,特性曲线： i. 必须画在弹簧工作图上， 作为检验和试验的依据。 ii. 弹簧设计时，必须利用 的关系。,2、拉伸弹簧,拉伸弹簧空载时各圈相互并紧（即=0）。端部制有挂钩，以便安装及加载。,挂钩形式：,LI、LII 型：制造方便，但过渡处弯曲应力很大。 广泛应用于d10mm的弹簧中。,L、 型：结构合理，弯曲应力小。 用于受力较大的弹簧。,几何参数： 主要参数： d，D2=C d，n=n1 其它参数： D，D1， =0，t=d，H0，L,特性曲线： 无初应力的拉伸弹簧： 特性曲线同压缩弹簧。 有初应力的拉伸弹簧： 当承受载荷时，首先 要克服假想变形量 x， 弹簧才开始伸长。 一般取 P0=(0.750.85)Pmin,二、螺旋弹簧受载时的应力及变形,1、应力,拉伸弹簧与压缩弹簧在轴向载荷 P 作用下，弹簧丝的受力情况是完全一样的，下面仅分析压缩弹簧的受力情况。,沿弹簧轴线切开，弹簧丝截面椭圆。 螺旋升角=59，很小， 近似圆形。将轴向载荷P向剖面中心简化。,叠加后内侧（m）最大应力为：,引进补偿系数（曲度系数）K：考虑升角及曲率对弹簧丝中应力的影响，忽略P的 影响。,弹簧丝内侧最大应力：,2、变形,由材料力学得到弹簧受轴向载荷P后，轴向变形量 为：,则当Pmax作用下的最大轴向变形max为：,i. 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：,ii.对于有预应力的拉伸弹簧：,式中：初应力 推荐初应力0 由图16-9选取。,3、弹簧刚度：表示使弹簧产生单位变形所需的力。 （主要参数）,kP，所需的力，弹簧的弹力。,影响kP的因素： kP1/C3 合理选择C以控制kP ，即控制弹簧的弹力，此外还有G，d，n等因素。,三、承受静载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计,静载荷的弹簧：应力循环次数在103以下，（如安全阀门、离合器弹簧）。,已知：Pmax max 结构要求（如安装空间限制等）。,设计步骤： 1 选择材料； 2 选择弹簧指数C，计算补偿系数K； 一般取C=58（不超过416） 计算 3 根据安装空间设计弹簧中径D2，估计弹簧丝直径 d= D2/C并由表16-2，取许用应力。,4 试算弹簧丝直径d： 如d与估计的d相差太远时，应重选d d,5 根据变形条件求弹簧工作圈数 n： 拉伸弹簧： 压缩弹簧：,6 求弹簧的尺寸D，D1，H0，检查是否符合安装要 求等，不符合则改选参数（C值），重新设计。,7 验算稳定性 当压缩弹簧长度较大时（一般用细长比b=H0/D2 表示）受力后容易失去稳定性。 要求：当两端固定时：b5.3 当一端固定，另一端自由转动时： b3.7 当两端自由转动时： b2.6,当大于上述数值时，应进行稳定性验算。 PC=Cu kP H0Pmax 式中：Pc 临界载荷； Cu不稳定系数 查图16-11；,如PcPmax时，应采取以下措施： i. 改变b值，提高Pc值，以保证弹簧的稳定性； ii.加装导杆或导套。,8 弹簧的结构设计。按表16-4计算出全部尺寸。,9 绘制弹簧工作图。,四、承受变载荷的圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的 设计,对于承受变载荷的重要弹簧，除按Pmax， max进行设计外，还应进行强度验算及振动验算。,1 强度验算 对于N103的变载荷重要弹簧：进行疲劳强度安全 系数计算; 对于N103的变载荷重要弹簧：进行静强度安全系 数计算。,1) 疲劳强度验算,弹簧在变载荷 作用下的应力 变化状态, 如图16-12所示。,式中： 0弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限；,疲劳强度的安全系数nca可按下式近似计算：,2）静强度验算,式中：s 材料的剪切屈服极限； ns设计安全系数，同疲劳强度验算时nF。,2 振动验算 保证其临界工作频率fw远低于其基本自振频率 fb，以避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏。,nF弹簧疲劳强度的设计安全系数； 计算及材料性能数据精确性高时，取nF=1.31.7 计算及材料性能数据精确性低时，取nF=1.82.2,fw一般预先给定，如不满足要求时，应增大 kp 或减小ms，重新设计之。,