机械设计弹簧详解

一、弹簧的功用
第一节 概述
图15-1 弹簧应用示例 a)离心离合器 b)钟表发条
第一节 概述
二、弹簧的类型
弹簧的类型很多,根据受载的性质,弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧 四种。根据弹簧的形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、涡卷弹簧和板弹簧。此 外,除金属弹簧之外,还有空气弹簧和橡胶弹簧等。表15-1列出了各种常用弹簧的基本形式。 螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的,由于制造简便,价格较低,易于检测和安装,所以应用最广。 它既可以制成圆柱形和圆锥形,又可以制成受压缩载荷作用的压缩弹簧、受拉伸载荷作用 的拉伸弹簧,还可以制成承受转矩作用或完成扭转运动的扭转弹簧,见表15-1。 碟形弹簧和环形弹簧刚性较大,可以承受很大的冲击载荷,具有良好的吸振能力,常用于各种 缓冲装置中。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方,可以采用碟形弹簧。环形弹簧 是目前减振缓冲能力最强的弹簧,常用于近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中。平 面涡卷弹簧轴向尺寸小,能在较大的变形范围内保持作用力不变,常用于仪器和钟表的储能 装置中。板弹簧能承受较大的弯曲作用,常用于受载方向尺寸有限而变形量又较大的场合。 由于板弹簧有较好的消振能力,所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用 这种弹簧。螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。由于圆柱形螺旋弹簧应用较广,尤 以螺旋压缩弹簧的受力分析和设计计算都比较典型,所以本章主要讨论圆柱形螺旋压缩弹 簧。关于其他类型弹簧,读者可参考文献[19]。
第二节 弹簧的材料、选材与制造
三、弹簧的制造
螺旋弹簧的制造工艺过程如下:①绕制。②钩环制造。③端部的制作与精加工。④热 处理。⑤工艺试验等。重要的弹簧还要进行强压处理。 弹簧通常用卷制成形方法制造,其绕制方法分冷卷法与热卷法两种。当弹簧丝直径 d≤8mm时用冷卷法绕制,冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹 簧钢丝,卷绕后一般不再进行淬火处理,只需低温回火以消除卷绕时的内应力。当弹簧 丝直径较大(d>8mm)时则要用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧,卷好后要进行淬火 和回火处理。 弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大程度上取决于弹簧的表面状况,所以弹簧丝表面 必须光洁,没有裂缝和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的疲劳强度和抗冲击性 能,因此,脱碳层深度和其他表面缺陷都须在验收弹簧的技术条件中详细规定。 对于重要的弹簧,还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。

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36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特

侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生

因此，在确定弹簧的最小工作载荷时,应使 F1 F0 ，并以 F1 F0 和 F2 F0 分别代替式(14.2)中的 F1 和 F2 计算弹簧的刚度。 弹簧特性曲线应绘在弹簧的零件工作图中，作为检验和 试验的依据之一。在设计弹簧时，利用特性曲线分析载荷与 变形的关系也比较方便。但是，一般弹簧的特性曲线并非直 线，如圆锥弹簧[如图14.l(d)所示]和变节距(t≠常数)弹簧； 圆柱螺旋弹簧的特性曲线只是近似的直线，矩形截面弹簧的 特性曲线近似直线的程度比圆形截面弹簧的还好。
1. 螺旋弹簧 螺旋弹簧是用金属丝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。在所占空间 相同时，后者能吸收的能量多。
式中，k称为弹簧的刚度，是表示弹 簧特性的主要参数之一。刚度越大， 弹簧产生单位变形所需要的力越大， 因此弹簧的弹力也越大。 受载和变形的关系，对于圆柱螺 旋拉伸弹簧和圆柱螺旋压缩弹簧都是 一样的，不同的只是一个受拉力作用， 产生拉伸变形，另一个受压力作用， 产生压缩变形，故不再对圆柱螺旋拉 伸弹簧进行受力分析。图14.8所示是 圆柱螺旋拉伸弹簧的受载与变形、无 预应力的特性曲线、有预应力的特性 曲线。对于有预应力的圆柱螺旋拉伸 弹簧，受载时先要抵消卷制时在各圈 图14.7 圆柱压缩弹簧的特性曲线 之间产生的预压力F0，然后才开始变 形。