选择弹簧材料和许用应力

精心整理弹簧设计规范一、弹簧的功能弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。

很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。

其主要功能有：⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。

⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。

⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，枪栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。

计算方法。

三、弹簧使用的材料及其用途弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。

但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。

合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。

弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。

碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。

直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。

对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。

其他弹簧钢材料还有：65Mn,50CrMn,30W4Cr2V等。

a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。

因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。

同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。

常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。

几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。

106 D四、弹簧设计资料记号名称单位记号名称单位记号名称单位d 材料直径mm k 弹簧定数kgf/mm a1 腕长(作动点) mmD 弹簧平均径mm τ应力修正kgf/mm a2 腕长(固定点) mmNa 有效圈数δ变量mm E 弹性系数kgf/mm L 自由长mm Pi 初张力kgf SUS19,000 kgf/mm M 密着长mm K 应力修正系数- SWP21,000 kgf/mm G 横弹性系数kgf/mm2 e 弹簧指数D/d - kTd 弹簧定数kgfmm/degSUS 7000 kgf/mm2 L0 自由长mm σ弯曲应力kgf/mm SWPA、B 8000 kgf/mm2 a 自由角°P点作动点-SUWC φd 使用的角(变量) °P0点固定点-P 弹簧荷重kgf R 荷重作用半径mm kb 弯曲修正系数-压缩弹簧(无研磨)压缩弹簧(研磨)弹簧定数：K=（G×d4）/（8×D3×Na）弯曲应力：τ=（8×D×P）/（πd3）×KK=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C荷重：P=K×δ（安全确认）安全角（间隔角）：14度以下弹簧指数：4—13扭转应力：容许限界以下第1荷重（A）：0.8L以下第2荷重（B）：1.2M以上引张弹簧荷重：P=kδ+Pi初张力：Pi=（πd4G）/（800D2）弹簧定数：K=（Gd4）/（8D3Na）弯曲应力：τ=（8DP）/（πd3）×k自由长：L0=d(N+1)+2.2(D-d)（安全确认）扭转应力：容许限界以下弯曲应力：容许限界以下初张力的减少：（最大引张时）扭力弹簧(臂长度的场合)弹簧定数不清：kTd=（Ed4）/[3667D×N+389(a1+a2)]荷重：P=（kTd×φd）/R弯曲应力：σ=（Ed×φd）/（360D×N）σ=（32P×R）/（πd3）×kb(安全确认)：kb=（4C2–C-1）/[4C(C-1)]弯曲应力：容许限界以下4.1、弹簧设计使用的基本公式4.1.2、有初始张力的拉伸弹簧+4.2、设计弹簧时应考虑的因素G压缩弹簧分别表示螺旋两端的端部磨平圈数图a-c中闭口型，X1=X2=1图（g4～22为0.83以上。

弹簧设计计算弹簧在材料选定后，设计时需要计算出弹簧刚度F、中径D、钢丝直径d、有效圈数n、变形量f。

以下面弹簧设计为例；1.计算弹簧受力：假设弹簧端克服1个标准大气压，即推动钢球，则弹簧受力为：F=PA=1×105N/mm2×πd12 /4其中d1——钢球通道直径弹簧还须克服钢球下降重力：G=mρV=m×4ρπR3/3其中R——钢球半径弹簧受合力：F合=F+G考虑制造加工因素，增加1.2倍系数F′=1.2F合2.选材料:(一般选用碳素弹簧钢丝65Mn或琴钢丝)以65Mn为例,钢丝直径d=1.4mm3.查表计算许用应力:查弹簧手册8-10表中Ⅰ类载荷的弹簧考虑(根据阀弹簧受力情况而言) 材料的抗拉强度σb与钢丝直径d有关查表2-30(选用D组): σb=2150～2450Mpa安全系数K=1.1～1.3, 可取K=1.2, 则σb=1791.7～2041.7 Mpa因此σb=1791.7Mpa(下限值)查表2-103,取切变模量G=78.8×103Mpa查表8-10,取许用切应力τs==0.5σb=0.3×1791.7=537.51Mpa 4.选择弹簧旋绕比C:根据表8-4初步选取C=105.计算钢丝直径:d≥1.6√KFC/[τ]其中K——曲度系数,取K=1.1～1.3F——弹簧受力6.计算弹簧中径:D=C d7.计算弹簧有效圈数:n=Gd4f/8FD3则总圈数n总=n+n1(查表8-6)8.计算试验载荷:Fs=πd3τs/8D9.自由高度:H0=nt+1.5d其中:t——初步估计节距t=d+f/n+δ1(δ1=0.1d)查表8-7系列值H0取整数10.节距计算:t=(H0-1.5d)/n11.弹簧螺旋角:(此值一般符合=5°～9°)α=arctan(t/πD)12.弹簧的稳定性验算:(b＜5.3,即可满足稳定性要求＝b=H0/D13.展开长度:L=πDn1/cosα14.弹簧刚度:F′=Gd4/8D3n14.弹簧载荷:F= F′×f15.弹簧试验变形:fs= Fs/ F其中在绘制弹簧图纸时,压紧弹簧时的长度L1(即受装配积压时的长度) 下弹簧对应受力F1,在阀开启时弹簧压缩的长度L2=L1+f,对应弹簧受力F2 例如:ZYB-1416N15-306H0=68.5 mm,装配时弹簧被压缩至37mm,阀开启时再次压缩8mm则L1=37,L2=37+8=45F1=37×F′F2=45 F′验算比较L2与Fs/ F的大小:若L2＞Fs/ F′重新设计刚度;反之设计合理。

弹簧许用应力
嘿，你有没有想过，为什么有些弹簧可以用很久都不会坏，而有些弹簧却很容易就变形甚至断掉呢？这背后啊，就有一个重要的概念叫弹簧许用应力。

咱就拿一辆自行车的减震弹簧来说吧。

你骑过那种有减震功能的自行车吧？当你经过坑坑洼洼的路面时，减震弹簧就会发挥作用，让你的骑行更加平稳。

假如有两辆自行车，一辆的减震弹簧质量很好，能轻松应对各种路况；而另一辆的弹簧就不那么靠谱了，骑了没多久就感觉软塌塌的，甚至可能会断掉。

这是为啥呢？这就和弹簧许用应力有关系啦。

弹簧许用应力呢，简单来说，就是弹簧能够承受的最大力量。

如果超过了这个力量，弹簧就可能会损坏。

就像我们人一样，有一个能承受的最大力气，如果让你一直搬特别重的东西，超过了你能承受的范围，你就会累垮。

弹簧也是这样，当它受到的力超过了许用应力，就会变形或者断掉。

那怎么确定弹簧的许用应力呢？这就需要考虑很多因素啦。

比如弹簧的材料、形状、尺寸等等。

不同的材料强度不一样，能承受的力量也不同。

而且，弹簧的粗细、圈数也会影响它的许用应力。

总之，弹簧许用应力是个很重要的概念哦。

下次当你看到弹簧的
时候，就可以想想它的许用应力是多少，能不能承受住它所面临的力量。

这样，你就能更好地理解弹簧的工作原理啦。

弹簧工作情况1） 控制机构的运动2） 减振和缓冲3） 储存及输出能量4） 测量力的大小具体条件——荷载类别I类：受变载荷作用次数在1000000以上II类：受变载荷作用次数在1000-100000及冲击载荷的弹簧III类：受变载荷作用次数在1000以下的弹簧弹簧常用材料机器许用应力弹簧常用材料机器许用应力（摘自GB1239-76）名称组别许用切应力[τ] （MPa）许用弯曲应力[σ]b (MPa)切变模量G（MPa）弹性模量E（MPa）推荐硬度（HRC）推荐使用温度（℃）特性及用途弹簧类别弹簧类别I类II类III类I类II类碳素弹簧I组、II、IIa组、III组0.3σB0.4σB0.5σB0.5σB0.625σB0.5≤d≤481400～78500d>4785000.5≤d≤4203000～201000d>4196000-40～＋120强度高、韧性好，适用于做小弹簧特殊用途碳素弹簧钢丝甲组、乙组、丙组硅锰合金弹簧钢丝4716287857859817850019600045～50-40～+200弹性好，回火稳定性好，易脱碳，用于制造大载荷弹簧我国弹簧钢主要有下列几种：1．碳素弹簧钢这种弹簧钢的优点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，且不能在高于12O℃的温度下正常工作。

2．低锰弹簧钢（例如 65Mn）这种弹簧钢与碳素弹簧钢相比；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的尺寸不大的弹簧可以用此种材料制造，例如离合器弹簧等。

3．硅锰弹簧钢（例如 60Si2MnA）这种钢中因加入了硅，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机械性能。

但含硅量高时，表面易于脱碳。

由于锰的脱碳性小,故在钢中加入硅锰这两种元素，就是为了发挥各自的优点，并减少彼此的缺点，因此硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用。

弹簧是一种重要的机械元件，用于控制物体在受压或拉伸时的变形，从而实现对机械系统的能量转换、力的分配或阻尼减震等作用。

弹簧的材料对其性能和应力具有重要影响。

弹簧材料的选择是至关重要的，因为它需要具备优良的弹性系数、良好的耐腐蚀性、较高的强度和良好的加工性能。

弹簧材料通常包括弹簧钢、不锈钢和铝合金等。

其中，弹簧钢是最常用的弹簧材料，具有高弹性系数、高强度和高耐腐蚀性等特点。

弹簧钢按照化学成分可以分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。

碳素弹簧钢的碳含量较高，一般在0.6%以上，具有良好的弹性性能和加工性能，但耐腐蚀性较差。

合金弹簧钢则含有多种合金元素，如硅、锰、铬、镍等，具有更高的强度和弹性性能，同时耐腐蚀性也得到了提高。

在选择弹簧材料时，需要考虑弹簧的工作条件和环境。

例如，弹簧需要承受较大的拉伸或压缩载荷时，应选择高强度材料；如果弹簧需要在腐蚀性环境中工作，应选择不锈钢等耐腐蚀材料。

此外，弹簧的形状和尺寸也会影响材料的选择，例如薄壁弹簧需要选择弹性系数较高的材料。

当弹簧材料确定后，需要考虑其应力状态。

弹簧的应力状态是指弹簧在受到载荷时所承受的应力形式。

根据应力形式的不同，弹簧的应力可分为拉伸应力、压缩应力和弯曲应力等。

不同的应力形式会对弹簧的性能产生不同的影响，因此需要合理控制弹簧的应力状态，以确保弹簧的使用寿命和可靠性。

在实际应用中，弹簧的应力控制可以通过优化弹簧的设计和制造工艺来实现。

例如，可以通过选择合适的弹簧形状和尺寸、控制材料的热处理工艺和加工精度等手段来控制弹簧的应力状态。

此外，还可以通过定期检查和更换弹簧来确保其性能的稳定性和可靠性。

总之，弹簧的材料选择和应力控制是保证其性能和使用寿命的关键因素。

选择合适的弹簧钢和不锈钢等材料，并合理控制其应力状态，可以确保弹簧的性能稳定、可靠，并延长其使用寿命。

因此，在设计和制造弹簧时，需要对弹簧的材料和应力进行全面考虑和控制。

习题与参考答案一、复习思考题。

1．弹簧有哪些功用？2．常用弹簧的类型有哪些？各用在什么场合？3．制造弹簧的材料应符合哪些主要要求？常用材料有哪些？4．圆柱弹簧的主要参数有哪些？它们对弹簧的强度和变形有什么影响？5．弹簧刚度K的物理意义是什么？它与哪些因素有关？6．什么是弹簧的特性曲线？它在设计中起什么作用？7．设计时，若发现弹簧太软，欲获得较硬的弹簧，应改变哪些设计参数？8．圆柱螺旋弹簧在工作时受到哪些载荷作用？在轴向载荷作用下，弹簧圈截面上主要产生什么应力？应力如何分布？受压缩与受拉伸载荷时，应力状态有什么不同？9．如何确定圆柱螺旋弹簧的许用剪切应力？用碳素弹簧钢丝制造弹簧时，其许用剪切应力[]τ值应如何确定？10．设计弹簧时，为什么通常取弹簧指数C=4~16，弹簧指数C的含义是什么？11．今有A、B两个弹簧，弹簧丝材料、直径d及有效圈数n均相同，弹簧中径D2A大于D2B，试分析：1）当载荷P以同样大小的增量不断增大时，哪个弹簧先坏？2）当载荷P相同时，哪个弹簧的变形量大？12．圆柱形拉、压螺旋弹簧丝最先损坏的一般是内侧还是外侧？为什么？13．设计弹簧如遇刚度不足时，改变哪些参数可得刚度较大的弹簧？14．怎样的装置可把一个圆柱形压缩弹簧作为拉伸弹簧使用？二、选择题1．在圆柱形螺旋拉伸（压缩）弹簧中，弹簧指数C是指。

A、弹簧外径与簧丝直径之比值。

B、弹簧内径与簧丝直径之比值。

C、弹簧自由高度与簧丝直径之比值。

D、弹簧中径与簧丝直径之比值。

2．圆柱拉伸（压缩）螺旋弹簧受戴后，簧丝截面上的最大应力是。

A、扭矩T引起的扭切应力τ'σB、弯矩M引起的弯曲应力bC、剪力F引起的切应力τ''D、扭切应力τ'和切应力τ''之和3．当簧丝直径d一定时，圆柱形螺旋弹簧的旋绕比C如取得太小，则。

A、弹簧尺寸大，结构不紧凑B、弹簧的刚度太小C、弹簧卷绕有困难D、簧丝的长度和重量较大4．设计圆柱拉伸螺旋弹簧时，簧丝直径d的确定主要依据弹簧的A、稳定性条件B、刚度条件C、强度条件D、变形条件三、填空题1．弹簧在工作时常受载荷或载荷作用。

弹簧材料的选择弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、对导电导磁的要求、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。

在确定材料截面形状和尺寸时，应当优先选用国家标准和部颁标准所规定的系列尺寸，尽量避免选用非标准系列规格的材料。

中、小型弹簧，特别是螺旋拉伸弹簧，应当优先用经过强化处理的钢丝，铅浴等温冷拔钢丝和油淬火回火钢丝，具有较高的强度和良好表面质量，疲劳性能高于普通淬火回火钢丝，加工简单，工艺性好，质量稳定。

碳素弹簧钢丝和琴钢丝冷拔后产生较大的剩余应力，加工弹簧后，存在较大的剩余应力，回火后尺寸变化较大，难以控制尺寸精度。

油淬火回火钢丝是在钢丝是在钢丝拉拔到规定尺寸后进行调制强化处理，基本上没有剩余应力存在，成型弹簧后经低温回火，尺寸变化很小，耐热稳定性好于冷拔强化钢丝。

大中型弹簧，对于载荷精度和应力较高的应选用冷拔材或冷拔后磨光钢材。

对于载荷精度和应力较低的弹簧，可选用热轧钢材。

钢板弹簧一般选用55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB等牌号的扁钢。

螺旋弹簧的材料截面，应优先选用圆形截面。

正方形和矩形截面材料，承受能力较强，抗冲击性能好，又可使弹簧小型化，但材料来源少。

且价格较高，除特殊需要外，一般尽量不选用这种材料。

近年来，研制用圆钢丝轧扁代替梯形钢丝，取得了很好的效果。

在高温下工作的弹簧材料，要求强度有较好的热稳定性、抗松弛或蠕变能力、抗氧化能力、耐一定介质腐蚀能力。

弹簧的工作温度升高，弹簧材料的弹性模量下降，导致刚度下降，承载能力变小。

因此，在高温下工作的弹簧必须了解弹性模量的变化率（值），计算弹簧承载能力下降对使用性能的影响。

按照GB1239规定，普通螺旋弹簧工作温度超过60℃时，应对切变模量进行修正，其公式为：Gt=KtG 式中G——常温下的弹性模量；Gt——工作温度t下的切变模量；Kt——温度修正系数按表2—98选取。

例12-1设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，簧丝剖面为圆形。

已知最小载荷Fmin=200N，最大载荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，弹簧Ⅱ类工作，要求弹簧外径不超过28mm，端部并紧磨平。

解：试算(一)：(1)选择弹簧材料和许用应力。

选用C级碳素弹簧钢丝。

根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。

(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.21由式得d≥4.1mm由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。

试算(二)：(1) 选择弹簧材料同上。

为取得较大的I>d值，选C=5.3。

仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。

查表1得sb=1520MPa，由表2知[t]=0.41sb=623MPa。

(2) 计算弹簧丝直径d由式得K=1.29由式得d≥3.7mm。

可知：I>d=4.4mm满足强度约束条件。

(3) 计算有效工作圈数n由图1确定变形量λmax：λmax=16.7mm。

查表2，G=79000N/mm2，由式得n=9.75取n=10，考虑两端各并紧一圈，则总圈数n1=n+2=12。

至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。

试算(三)：(1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得sb=1520MPa，[t]=0.41sb=623MPa。

(2) 计算弹簧丝直径。

得d≥3.91mm。

知d=4mm满足强度条件。

(3)计算有效工作圈数n。

由试算(二)知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2由式得n=6.11取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。

这一计算结果即满足强度与刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又是一个较优的解，可将这个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作稳定性校核。