第一节 概 述 第二节 弹簧的材料、许用应力及制造 第三节 圆柱螺旋弹簧的设计计算

　　（1）缓冲吸振 （2）贮存和输出能量 （3）控制运动 （4）测量力或力矩 （5）改变机器的自振频率

　　如汽车、火车车厢减振弹簧等。 如钟表和仪表的发条和游丝(盘形弹簧)。 如内燃机中的阀门弹簧。 如弹簧秤与测力器中的弹簧。 如用于电机和压缩机的弹性支座。

　　如果F＞FC，应重新选择有关参数，改变b值，提高FC的大小， 使其大于Fmax的值，保证弹簧的稳定性。若受结构限制而不能改 变参数时，就应该加装导杆或导套，保证弹簧受载时不产生侧向 弯曲。为了防止弹簧工作时弹簧丝与导杆或导套产生摩擦，导杆 或导套与弹簧丝间应留有间隙c值 (直径差)，见表2.14.6。

　　碳素弹簧钢丝、硅锰弹簧钢丝的尺寸系列和拉伸强度极限分 别见表2.14.2和表2.14.3。

　　制造工艺过程如下： 绕制→钩环制造→端部的制作与精加工→热处理→工艺试验及 强压处理。

　　弹簧的疲劳强度与抗冲击强度在很大的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。

　　弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验 的依据之一。同时还可在设计弹簧时，利用特性曲线进行载荷与 变形关系的分析。

　　式中 τS——弹簧材料的屈服应力（MPa），其值可按下述数值选取：碳 素弹簧钢取τS ＝0.5σb，硅锰弹簧钢取τS ＝0.6σb，铬钒弹簧 钢取τS ＝0.7σb；

　　圆柱弹簧的主要尺寸： 弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1 ，中径D2、节距t、

　　弹簧设计中，旋绕比(或称弹簧指数)C是最重要的参数之一。 C＝D2／d，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，卷制困难， 弹簧内外侧的应力相差愈大；反之弹簧愈软，卷制虽易，但工作 时易产生颤动现象。常用弹簧指数的选取见表2.14.4。

　　按载荷性质可分：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧。 按形状可分：螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、平面涡卷弹簧、

　　弹簧在工作时常常承受交变载荷和冲击载荷，为了使弹簧能够 可靠地工作，弹簧的材料应具有较高的抗拉强度、屈服强度、弹性 极限外，还应具有较高的疲劳强度，一定的冲击韧性、塑性和良好 的热处理性能。

　　由于弹簧螺旋升角α的值不大，主要是扭矩T和切向力FQ 。α的值 较小时，cosα≈1 ，可取T＝FR和FQ＝F。这种简化对于计算的准确性

　　有初拉力的拉伸弹簧是在卷制弹簧时，弹簧丝产生扭转，弹 簧各圈之间具有一定的压紧力，由于弹簧的回弹，弹簧丝中就产 生了一定的预应力。这种弹簧一定要在外载荷大于初拉力后，各 圈才开始分离，故较无初拉力的拉伸弹簧节省了轴向工作的空间。

　　圆柱拉伸弹簧的端部制有各种 形状的挂钩（图2.14.2），以便安装 和加载。其中半圆钩环和圆钓环制 造方便，应用较广。

　　为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的高径比 b(＝H0／D2)按下列情况选取：

　　弹簧两端均为回转端时b≤2.6；弹簧两端均为固定端时b≤5.3, 一端固定而另—端回转时b≤3.7。如果b大于上述数值时，则必须 进行稳定性计算，并限制弹簧工作载荷F，使小于失稳时的临界载 荷FC 。

　　压缩弹簧在承受工作载荷前，通常需预加一定量的最小载荷Fmin, 使弹簧可靠地稳定在安装位置上。这时弹簧的长度被压缩到Hl ，

　　对应压缩变形量λmin 。当弹簧受到最大载荷Fmax时，弹簧长度被 压缩到H2 ,对应压缩变形量为λmax 。

　　λmin与λmax之差即为弹簧的工作行程h，由图2.14.5所示可知， h＝λmax－λmin＝Hl－H2

　　对于拉伸弹簧，n超过20时，一般圆整为整数，n低于20 时，可圆整为其1／2圈；对于压缩弹簧总圈数的尾数宜取1／ 4、1／2或整圈数，常用1／2圈。为了保证弹簧具有稳定的性 能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。

　　C值大小对弹簧刚度影响很大。k值还和G、d、n有关， 在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。

　　可根据力学疲劳强度理论与相应计算 公式，进行应力幅安全系数、最大应力安 全系数的计算，对于弹簧钢丝也可按下述 简化公式进行验算。

　　式中 τ0——弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限(MPa)，可根据循环次数N查表2.14.7； [S]——许用安全系数，当弹簧计算和材料的性能数据精确度高时，取1.3~1.7；

　　选择弹簧材料时应充分考虑弹簧的工作条件(载荷大小及性 质、工作温度和周围介质的情况)、功用及经济性等因素。一般 优先采用碳素弹簧钢丝。

　　为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行 强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力。—般经 过强压处理的弹簧可提高其承载能力约25％；若经喷九处理可提高 20％ 。

　　（一）圆柱形螺旋压缩弹簧 为了使弹簧在安装时能够保持其轴线与支承面相垂直，弹

　　弹簧的常用材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、弹簧用不锈钢和 有色金属合金等。 （1）碳素弹簧钢

　　价格便宜，供应方便。热处理后具有较高的强度、适宜的韧 性和塑性。缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性。

　　碳素弹簧钢按用途和力学性能高低可分为三级： B级——用于低应力弹簧； C级——用于中等应力弹簧： D级——用于高应力弹簧。

　　簧两端的端圈分别与邻圈并紧，端圈只起支承作用，不参与变 形，故常被称为支承圈(或死圈)。

　　当弹簧的有效工作圈数n＜7时，则压缩弹簧每端死圈数 约为0.75圈；而当n＞7时，则每端死圈数约为1.25圈。