第12章 其他零部件

拉伸及扭转弹簧，为了便于连接、固着及加载，两端应制有挂钩或杆臂
12.1.3 弹簧的材料
弹簧使用的金属材料有一定特殊的要求，最重要的是强调弹性极限和疲劳极限，同时具有足 够的韧性和塑性，热处理对弹簧的性能影响极大，因此，生产中的热处理工艺非常重要也非 常关键
1. 碳素弹簧钢
这种弹簧钢（例如 65、70 钢）的优点是价格便宜，原材料来源方便，但多次重复变形 后易失去弹性，且不能在高于 130℃的温度下正常工作。
机座和箱体在一台机器的总质量中占有很大的比例（例如在机 床中约占总质量的 70%～90%），所以正确选择机座和箱体等 零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、 节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性的重要 途径。现仅就机座和箱体的一般类型、材料、制法、结构特点
及基本设计准则做简要介绍。
弹簧的主要功用有：①缓和冲击、吸收振动，例如车辆中的缓冲弹簧；②控制运动，例 如内燃机的阀门弹簧；③储存能量作为动力源，例如钟表弹簧、仪器发条等；④测量力或力 矩，例如测力器、弹簧秤中的弹簧等。
按形状进行分类，弹簧可分为：螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、涡卷弹簧和板簧等，如图 12-1 所示。螺旋弹簧由于制造简便，得到广泛应用。蝶形弹簧和环形弹簧都是压缩弹簧，刚 性很大，能承受很大的冲击载荷，并具有良好的吸振能力，故常用作缓冲弹簧。若扭矩不大 而又要求弹簧的轴向尺寸很小时，则常用盘簧，主要作为各种仪表中的储能零件。板簧主要 承受弯矩，有较好的消振能力，多在车辆中应用
12.3 弹簧的应用及技术发展
• 12.3.1 弹簧的应用
• 1. 测量功能 • 2. 紧压功能 • 3. 复位功能 • 4. 带动功能 • 5. 缓冲功能 • 6. 振动发声功能 • 扭转弹簧的外形和拉压弹簧相似，但承受的是绕弹簧轴线的外加力矩，主
要用于压紧和储能，例如使门上铰链复位、电机中保持电刷的接触压力等。
常用弹簧材料及其性能在机械设计手册中供设计时参考，选择时要充分考虑弹簧的工作条 件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素
12.2 圆柱螺旋弹簧的设计计算
12.2.1 几何参数计算
普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径 D2、中径 D、内径 Dl、节距 p、螺旋升角
α 及弹簧丝直径 d。由图 12-5 可知，它们的关系为
但成批生产的汽车底盘及运行式起重机的机体等却以质量小和运行灵便为主，则又应以焊 接为宜。又如质量及尺寸都不大的单件机座或箱体以制造简便和经济为主，应采用焊接；而 单件大型机座或箱体若单采用铸或焊皆不经济或不可能时．则应采用拼焊结构等等
12.4.3 机座和箱体的截面形状
绝大多数的机座和箱体受力情况都很复杂，因而将会产生拉伸（或压缩）、弯曲、扭转等变 形。当受到弯曲或扭转时，截面形状对于它们的强度和刚度有着很大的影响。如能正确设计 机座和箱体的截面形状，从而在既不增大截面面积，又不增大（甚至减小）零件质量（材料 消耗量）的条件下，来增大截面系数及截面的惯性矩，就能提高它们的强度和刚度。
形式，在制造方面和在挂钩处产生应力的情况都有很大的不 同，使用时一定注意。
螺旋弹簧的制造工艺包括卷制、挂钩的制作或端面圈的精加工、热处理、工艺试验及强压处 理。卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径 d<（8～10）mm 的弹簧 丝，并且冷卷后的弹簧只做回火处理，以消除卷制时产生的内应力；直径较大的弹簧丝制作 的强力弹簧则用热卷，热卷的弹簧需经淬火及中温回火处理。热处理后的弹簧，表面不应出 现显著的脱碳层。为了提高承载能力，有些还可以在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理， 这是非常有效的办法
应变形的空间。为使得弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用 下，各圈之间仍需保留一定的间距 1 弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧（无间隙），只起支承作用，不参与变形，故称为死圈。弹 簧圈数和弹簧丝直径对死圈有相应的要求。同时，有的端部结构也有磨平的要求。
12.1.2 圆柱螺旋拉伸弹簧
按受力情况，圆柱螺旋弹簧可分为：圆柱螺旋拉伸弹簧、圆柱螺旋压缩弹簧、圆柱螺旋扭转 弹簧等
12.1.1 圆柱螺旋压缩弹簧
圆柱螺旋压缩弹簧的结构
外径 D2、中径 D、内径 Dl、节距 p 弹簧丝直径 d
间距
螺旋升角 α 右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋
弹簧的节距为 p，在自由状态下，各圈之间应有适当的间距 ，以便弹簧在受压时，产生相
arctan p D
（12-2）
式中：弹簧的螺旋升角 α，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在 5°～9°范围内选取。弹簧的旋向
可以有右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋
12.2.2 弹簧的特性曲线
载荷与变形关系的曲线称为弹簧的特性曲线 设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内
需要强调的是，弹簧的特性曲线应绘在弹簧工作图上，作为 检验和试验时的依据之一。此外，在设计弹簧时利用特性曲线
分析受载与变形的关系也较方便。
• 无预应力和有预应力拉伸弹簧的特性曲线
12.2.3 圆柱螺旋弹簧受载时的应力及变形
一般圆柱螺旋弹簧丝的截面多为圆截面，下面是针对圆截面弹簧丝的圆柱螺旋弹簧进行分 析。圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。
由于弹簧丝具有升角 α，故在通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的截面 A-A 呈椭圆形，该截面 上作用着力 F 及扭矩 T。 弹簧丝的法向截面 B-B 则作用有横向力 Fcosα、轴向力 Fsinα、弯矩 M＝Tsinα 及扭矩T
机械设计基础Leabharlann 主编：王 毅 程 强 薛云娜 陈照强
目录
第12章 其他零部件
• 12.1 弹 簧 概 述 • 12.2 圆柱螺旋弹簧的设计计算 • 12.3 弹簧的应用及技术发展 • 12.4 机座和箱体
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图 12-1 弹簧的分类
12.1 弹 簧 概 述
弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性 变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化 为机械功或动能。
=Tcosα。由于弹簧的螺旋升角—般取为 α＝5°～9°，故 sinα≈0，cosα≈1
截面 B-B 上的应力可近似地取为
4F
d2
(1
2C)
式中： C D 称为旋绕比（或弹簧指数） d
为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C 值不能太大， 但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C 值又不应太小。C 值
12.4.1 机座和箱体的一般类型
机座（包括机架、基板等）和箱体（包括机壳、机匣等）的形式繁多，分类方法不一，就其 一般构造形式而言，可划分为 4 大类：机座类、机架类、基板类和箱壳类
按结构进行分类，则可分为整体式和装配式；按制法分类又可分为铸造的、焊接的和拼焊的 等
12.4.2 机座和箱体的材料及制法
表 12-1 常用的几种截面形状的对比
截面 形状
面积/cm2
弯曲
许用弯矩 （N·m）
圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。另外，为了节省 轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕 的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成 的弹簧，各圈相互间即具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了 一定的预应力，故称为有预应力的拉伸弹簧。这种弹簧一定要 在外加的拉力大于初拉力 F0 后，各圈才开始分离，故可较无预 应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间。拉伸弹簧的端部制有挂 钩，以便安装和加载。挂钩的形式如图 12-4 所示。不同的挂钩
1. 设计技术的发展
现代计算机技术的发展，为弹簧的高精度设计提供了极大地支持。有限元是一种精密的解析 技术，用来计算弹簧的应力和疲劳寿命的关系；优化设计是利用计算机进行非线性规划去寻 求最优设计方案也取得了成效。可靠性设计是为了保证所设计产品的可靠性而采用的一系 列分析与设计技术，它的任务是在预测和预防产品可能发生故障的基础上，使所设计的产品 达到规定的可靠性目标值，是传统设计方法的一种补充和完善。弹簧设计在利用可靠性技术 方面取得了一定的进展，但要进一步完善，需要数据的开发和积累
2. 低锰弹簧钢
这种弹簧钢（例如 65Mn）与碳素弹簧钢相比，优点是淬透性较好和强度较高；缺点是 淬火后容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜，所以一般机械上常用于制造尺寸不大的弹 簧，例如离合器弹簧等。
3. 硅锰弹簧钢
这种钢（例如 60Si2MnA）中因加入了硅，故可显著地提高弹性极限，并提高了回火稳定性， 因而可在更高的温度下回火，从而得到良好的力学性能。硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的 应用。一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。
固定式机器，尤其是固定式重型机器。其机座和箱体的结构较为复杂，刚度要求也较高，因 而通常都为铸造。铸造材料常用既便于施工又价廉的铸铁（包括普通灰铸铁、球墨铸铁与变 性灰铸铁等）；只有需要强度高、刚度大时才用铸钢；当减小质量具有很大的意义时（如运 行式机器的机座和箱体）才用铝合金等轻合金。对于运行式机器，如飞机、汽车、拖拉机及 运行式起重机等，减小机体的质量非常重要，故常用钢或轻合金型材焊制。大型机座的制造， 则常采取分零铸造，然后焊成一体的办法
12.3.2 弹簧的技术发展
在机电产品中，用量最大的弹簧主要有三大类：以汽车为主的机动车辆弹簧；以日用电 器为主的电子产品弹簧；以摄像机、复印机和照相机为主的光学装置弹簧。 机动车辆弹簧主要是向高强度方向发展，以减轻质量；电子产品弹簧主要是向小型化方向发 展；而光学装置弹簧主要向着既要高强度化又要小型化方向发展。相应的弹簧设计方法、材 料和加工技术等方面均有所发展
K
8CF d2
≤
用于设计时确定弹簧丝的直径 d
曲度系数 K 对于圆截面弹簧丝可按下式计算 K 4C 1 0.615
4C 4 C
圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧受载后的轴向变形量 λ，可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形 量的公式求得