NO-10弹簧电子教案 机械设计基础（第2版）.doc

教学目标知识目标：了解弹簧的功用和类型熟悉圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构与制造方法掌握圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计能力目标：已知弹簧，能分析其功用根据弹簧的使用场合，能分析制造方法和热处理工艺根据弹簧的工作条件，能进行弹簧的分析与设计素质目标：沟通、协作能力；观察、信息收集能力；分析总结能力良好的职业道德和严谨的工作作风教学重点螺纹联接的预紧与防松教学难点键联接的分类及选用教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时6 教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释模块十 弹簧〖相关知识〗学习情境一 弹簧的功能、类型和材料一、弹簧的功能主要功能有：（1）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3） 测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等3）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4）控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧， 控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等二、弹簧的类型弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷不同，弹簧可分为拉伸弹簧（如图10-2（a)所示）、压缩弹簧(如图10-2（b）、（c)所示）、扭转弹簧（如图10-2（d)所示）等；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等。

螺旋弹簧是用金属丝(条)按螺旋线卷绕而成，由于制造简便，所以应用最广按其形状可分为：圆柱形(如图10-2（a）、（b）、（d)所示）、截锥形(如图10-2（c)所示） (a) (b) (c) (d)图10-2 螺旋弹簧三、弹簧的材料与许用应力弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，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 学习情境二、圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构和制造一、圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的结构1. 压缩弹簧的结构圆柱螺旋弹簧的端部结构形式很多，压缩弹簧的两端各有圈与邻圈并紧，只起支撑作用，不参与变形，故称支撑圈（或死圈）支撑圈端面与弹簧座接触，常见的端部结构有并紧磨平的YⅠ型和并紧不磨平的YⅡ型两种，如图10-6所示在重要场合应采用YⅠ型以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。

两端磨平部分的长度不少于3/4 圈，弹簧丝末端厚度一般为图10-6 圆柱螺旋压缩弹簧的端面圈2.拉伸弹簧的结构其螺旋结构与圆柱螺旋压缩弹簧的基本相同，不同的是：在自由状态下，圆柱螺旋拉伸弹簧各圈相互并拢，即间距等于零二、圆柱螺旋弹簧的主要参数圆柱螺旋弹簧的主要参数如图10-9所示1）簧丝直径d ——制造弹簧所用金属丝的直径2）弹簧外径D ——弹簧的最大直径3）弹簧内径D1 ——弹簧的内孔直径，即弹簧的最小直径D1＝D－2d4）弹簧中径D2 ——弹簧轴剖面内簧丝中心所在柱面的直径，既弹簧的平均直径，D2＝（D＋D1）/2＝D1＋d＝D－d5）有效圈数n ——保持相等节距且参与工作的圈数6）支承圈数n2 ——为了使弹簧工作平衡，端面受力均匀，制造时将弹簧两端的至1圈压紧靠实，并磨出支承平面这些圈主要起支承作用，所以称为支承圈支承圈数n2表示两端支承圈数的总和一般有1.5、2、2.5圈三种7）总圈数n1 ——有效圈数和支承圈数的总和，即n1＝n＋n28）节距t ——相邻两有效圈上对应点间的轴向距离9）自由高度H0 ——未受载荷作用时的弹簧高度（或长度），H0＝nt＋（n2－0.5）d10）弹簧的展开长度L ——制造弹簧时所需的金属丝长度，L≈n1。

11）旋向——与螺旋线的旋向意义相同，分为左旋和右旋两种图10-9 圆柱螺旋弹簧的主要参数三、弹簧的制造螺旋弹簧的制造过程包括：卷绕、两端面加工(指压簧)或挂钩的制作(指拉簧和扭簧)、热处理和工艺性试验等 大批生产时，弹簧的卷制是在自动机床上进行的，小批生产则常在普通车床上或者手丁卷制弹簧的卷绕方法可分为冷卷和热卷两种当弹簧丝直径小于10 mm时，常用冷卷法冷卷时，—般用冷拉的碳素弹簧钢丝在常温下卷成，不再淬火，只经低温回火消除内应力热卷的弹簧卷成后须经过淬火和回火处理弹簧在卷绕和热处理后要进行表面检验及工艺性试验，以鉴定弹簧的质量学习情境三 圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的设计一、圆柱形螺旋压缩、拉伸弹簧的应力分析下面讨论的是在Ⅲ类载荷 (静载荷) 作用下弹簧的应力、变形和计算 1.弹簧的应力应力计算的目的是确定簧丝的直径图10-10(a)所示是被截去下部的压缩弹簧，截面通过弹簧的轴线弹簧在最大工作载荷F2作用下，该截面上作用着剪力和扭矩由于弹簧的螺旋升角α很小(通常在5°～9°范围内)，为简化计算，把该截面作为弹簧丝的法截面，即截面积为圆面积；同时考虑到剪力引起的应力远比扭矩引起的应力小，亦将其略去。

由材料力学可知，弹簧丝截面上的最大应力为精确的分析应该计入弹簧螺旋升角和曲率的影响，此时弹簧丝截面上应力分布如图10-10(b)所示，在其内侧a点处有最大值为补偿上述简化计算带来的误差，引入曲度系数，且令，称为旋绕比，其中为弹簧中径，为弹簧丝带直径，mm则弹簧丝的强度条件为： （10-1）于是弹簧丝直径 (10-2)式中：——弹簧材料的许用应力(MPa)曲度系数为 (10-3)式(10-1)、式(10-2)也适用于拉伸弹簧的计算 （a）截面受力 （b）截面应力图10-10弹簧丝的应力分析2.弹簧的变形变形计算的目的是确定弹簧的有效圈数，即工作圈数由材料力学可知，有效圈数为的压缩弹簧在载荷的作用下，其轴向变形量为 （10-4）于是弹簧圈数 (10-5)式中：——弹簧变形量(mm)； ——弹簧材料的切变模量(MPa)，钢： MPa ，青铜： MPa 式(10-3)、式(10-4)适用于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧。

对于有预应力的拉伸弹簧，应以代替式中的旋绕比和弹簧刚度是弹簧设计中的两个重要参数由式(10-5)可知，弹簧刚度 （10-6）可见，旋绕比对弹簧刚度影响很大在弹簧丝直径和其他条件相同的情况下，值越小，越大，弹簧越硬，卷制就越困难，因此值不宜取得过小；反之，值也不可取得过大，否则弹簧刚度过小，工作时易颤动设计时，一般取二、特性曲线弹簧在弹性范围内变形，其变形量随载荷的变化而变化表示弹簧工作过程中所受载荷与变形量之间关系的曲线，称为弹簧的特性曲线图10-11所示为圆柱螺旋压缩弹簧及其特性曲线弹簧在未受载荷时，自由高度为安装弹簧时，为使它能可靠地稳定在工作位置上，通常预加一初始载荷 ，此时弹簧的高度由被压缩到，其压缩量为当弹簧工作时，在最大工作载荷作用下，弹簧高度被压缩到，相应的压缩量为，弹簧的工作行程为保证弹簧安全可靠的工作，在作用下弹簧丝中产生的应力不应超过材料的许用应力当弹簧的载荷增加到极限载荷时，弹簧高度被压缩到，其压缩变形量为 ，此时弹簧丝中的应力刚好达到材料的弹性极限 图10-11 圆柱螺旋压缩弹簧特性曲线设计弹簧时，弹簧的初始载荷通常取为：。

最大工作载荷按工作要求确定，但为保证弹簧的正常工作，应使图10-12所示为圆柱螺旋拉伸弹簧及其特性曲线按卷绕方式不同，拉伸弹簧分无初应力和有初应力两种无初应力拉伸弹簧的特性曲线与压缩弹簧的特性曲线相同初应力是在弹簧卷绕过程中，由各圈弹簧并紧而产生的内应力造成的，这个力称为初拉力只有外载荷超过初拉力后，弹簧才开始变形由图10-11和图10-12可以看出，对于等节距的圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧，其特性曲线为一斜直线，即弹簧所产生的变形量与其所承受的载荷成正比例关系，故刚度常数，这种弹簧称为定刚度弹簧图10-12 圆柱螺旋拉伸弹簧特性曲线三、弹簧的设计步骤在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求（例如安装空间对弹簧尺寸的限制）等来决定弹簧丝的直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等具体设计方法和步骤如下：1．选择材料和确定许用应力 1) 选择材料，并查取其力学性能数据2）初选弹簧指数通常可取（极限状态时不小于4或超过16），并按式(10-3)算出曲度系数值3）根据初选值及安装空间估计弹簧中径，估取弹簧丝直径，并由表10-1查取弹簧丝的许用应力2．根据强度条件试算弹簧丝直径，有： （10-7）3．根据变形条件计算弹簧工作圈数，其中 对于有预应力的拉伸弹簧： （10-8） 对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧： （10-9）4．计算弹簧主要尺寸，如内径、外径、，并检查其是否符合安装要求等。

如不符合，则应改选有关参数（例如值）重新设计5. 验算稳定性对于圈数较多的压缩弹簧，当高径比到一定值时，弹簧就会发生侧向弯曲而丧失稳定性，如图10-13所示可以采取导杆和导套，使其稳定性达到要求，如图10-14所示这种情况在工作中是不允许的为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的高径比按下列情况选取：当两端固定时，取；当一端固定，另一端自由转动时，取；当两端自由转动时，取；当大于上述各种情况下推荐值时，应按下式进行稳定性验算： (10-10)式中：——稳定时的临界载荷，N； ——不稳定系数，见图10-15； ——自由高度，mm； ——最大工作载荷，N； 6．绘制弹簧工作图一张完整的机械弹簧工作图，应包括几何参数、物理参数和技术条件等三方面的内容几何参数包括弹簧的形状和尺寸；物理参数主要指变形与载荷的关系及相应变形下的载荷大小；技术条件则为使弹簧符合使用要求，而需要达到的性能指标（如热处理硬度）及需要采取的工艺措施（如强压处理、喷丸处理、氧化处理或镀锌等）。