弹簧设计和计算一.弹簧按工作特点分为三组二.I组：受动负荷（即受力忽伸忽缩，次数很多）的弹簧,而且当弹簧损坏后将引起整个机构发生故障.例如：发动机的阀门弹簧、摩擦离合器弹簧、电磁制动器弹簧等。

三.U组：受静负荷或负荷均匀增加的弹簧，例如安全阀和减压阀的弹簧，制动器和传动装置的弹簧等。

四.川组：不重要的弹簧，例如止回阀弹簧手动装置的弹簧，门弹簧和沙发弹簧等。

五.按照制造精度分为三级六.1级精度：受力变形量偏差为土5%勺弹簧，例如调速器和仪器等需要准确调整的弹簧。

七.2级精度：受力变形量偏差为土10%勺弹簧，例如安全阀、减压阀和止回阀弹簧，内燃机进气阀和排气阀的弹簧。

八.3级精度：受力变形量偏差为土15%勺弹簧，不要求准确调整负荷的弹簧，象起重钩和缓冲弹簧、刹车或联轴器压紧弹簧等。

九■名词和公式1。

螺旋角：也叫“升角”，计算公式是：螺旋角的正切tg-盘；式中：t---弹簧的节距;D2---中径般压缩弹簧的螺旋角a =6~9°左右； 2。

金属丝的展开长L=^± ~二。

2n+钩环或腿的展开长;COSG式中：n1=弹簧的总圈数；n=弹簧的工作圈数。

3。

弹簧指数：是弹簧中径D2与金属丝直径d的比，又叫“旋绕比”，用C来代表，即: C =2 ; d在实用上C>4，太小了钢丝变形很厉害，尤其受动负荷的弹簧，钢丝弯曲太厉害时使用寿命就短。

但C也不能太大，最大被限制于C<25。

C太大，弹簧本身重量在巨大的直径上不断地颤动而发生摇摆，同时缠绕以后容易松开，直径难于掌握。

一般C=4~9弹簧指数C可按下表选取。

表弹簧指数C选择4•用弹簧应力计算公式的时候，还要考虑金属丝弯曲的程度对应力的影响，而加以修正。

这影响强度计算的弯曲程度，叫“曲度系数”，分别用下式表示：压、拉弹簧曲度系数k二归1 0615;4C 一4 C扭转弹簧曲度系数k^^^1;4C — 4为了便于计算，根据上面两个公式算出K和K1值，列成表2：曲度系数K和K1表5.计算扭转弹簧刚度时，主要是受弯曲应力。

因此，使用的是弹性模数E。

钢的E=2.1"04（公斤力/毫米2）；铜的E=0.95"04（公斤力/毫米2）6 •计算压缩、拉伸弹簧时，主要是受剪切应力。

因此使用的是剪切弹性模数G钢的剪切弹性模数3 8000 （公斤力/毫米2）;青铜的剪切弹性模数S4000 （公斤力/毫米2）。

7•工作圈数和支承圈工作圈的作用是使弹簧沿轴线伸缩，是实际参加工作的圈数，又叫“有效圈数”，用n来表示。

支承圈的功用，是用来保证压缩压缩弹簧在工作时轴线垂直于支承端面，但并不参加弹簧工作。

因此，压缩弹簧的两端至少各要3/4圈拼紧，并磨平作为支承面。

磨薄后的钢丝厚度约为1/4d，尾部和工作圈贴紧。

重要的压缩弹簧，两端的结束点要在相反的两边，以使受力均匀。

所以一般压缩弹簧的总圈数多带有半圈的，如623圈、10 12圈等。

压缩弹簧的工作圈是从按计算的螺旋角卷制时算起，而拉伸弹簧是从钩的弯曲处开始计算。

压缩弹簧必须有支承圈，扭簧和拉伸簧由于两端有腿或钩环，所以没有支承圈。

选择压缩弹簧工作圈的要点是：必须考虑到安装地位的限制和稳定性，圈数不要太多，同时也要考虑到受力均匀和能耐冲击疲劳，因此圈数也不能太少。

在一般情况下，压缩弹簧工作圈数选择是：在不重要的静负荷作用下，n >2.5圈，经常受负荷或要求受力均匀时n》4圈，而安全阀弹簧对受力均匀的要求很严格，所以n》6圈。

至于受动负荷如排气阀弹簧，也要求n》6 圈。

n》7圈的弹簧，两头的支承圈数要适当加多，但每边不超过 1 14圈。

因此，总圈数为：n1 =n 1.5~ 2.5。

8 •刚度与弹簧指数、圈数的关系压、拉弹簧的刚度是指产生1毫米的变形量所需要的负荷。

扭转弹簧的“扭转刚度”是指扭转1 °所需要的力矩。

刚度越大，弹簧越硬。

我们知道，弹簧钢丝直径d越粗，而材料的G或E越大时，弹簧刚度或扭转刚度也越大；相反的，中径D2越大或工作圈数n越多时，弹簧刚度也越小。

因此它们的关系是：压、拉弹簧的刚度P = Gd g，（公斤力/毫米）；8D；n单圈变形量的用处很大，它可以作为比较计算的基础10•抗拉极限强度匚b ；允许弯曲工作应力扭转弹簧的受力，主要是弯曲应力，所以应计算值；压、拉弹簧在工作时所产生的应力主要是扭转应力，在极限负荷P 3作用下所产生的应力，叫“允许扭转极限应力”，以.来表示；在工作负荷P 2作用下所产生的应力 叫“允许扭转工作应力，用 □来表示。

计算代号表3扭转弹簧的扭转刚度MEd 43664D 2n（公斤力•毫米/度）9.单圈变形量在负荷P 作用下,压缩、拉伸弹簧一圈的变形量，叫“单圈变形量”圈变形量f ，就可以求出总变形量F=fn 。

，用f 表示。

如果已知单总变形量F 的计算公式是:38PD 2 n Gd 4（毫米）；将n=1代入，便得压、拉弹簧的单圈变形量8PD ； Gd 4，（毫米）四•弹簧材料和允许工作应力的确定1 •材料分类和性能，根据化学成分来分，弹簧钢大致分为几种，它的性能如下：优质碳素钢（例如正、中、高级碳素弹簧钢丝）是廉价的弹簧钢，有相当好的耐疲劳强度。

但是，如果含碳太高，在热处理时表面容易脱碳。

此外，它不能在大于120° C的温度下正常工作。

低锰钢（例如60M）价廉、脱碳少，但淬火后容易产生裂缝和热脆。

硅钢（例如60Si2M n）来源比较广，容易热处理，可淬性高，缺点是表面容易脱碳，而且容易石墨化。

铬钒钢（例如50CVA是耐疲劳和抗冲击最好的弹簧钢，有很高的机械性能，并能在400° C 以下工作，但价格比较贵，使用上受到限制。

不锈钢、青铜或锡锌青铜，有耐腐蚀的特点，所以在化学工业中多数都采用这种材料的弹簧，但是由于青铜类的材料不易热处理和机械性能差，所以一般机械都尽量避免采用这种弹簧材料。

在卷绕工艺上，弹簧材料可分为下面两中：一种是冷绕的弹簧材料：当钢丝直径d<8毫米时，一般都采用冷绕，因为有些弹簧钢丝经制造厂用特殊方法热处理后冷拉而成（例如琴钢丝或正、中、高级碳素弹簧钢丝）强度很高，冷绕后不必再淬火，但必须进行低温回火，以消除内应力（青铜丝也要采用冷绕后进行低温回火）。

但是有的弹簧钢丝（例如60Si2M n）在出厂的时候没有经过热处理，冷卷成弹簧后，必须进行淬火和回火。

另一种是热卷弹簧材料：凡钢丝直径d>8毫米的，或弹簧指数C特别小的弹簧，或者是某些合金弹簧钢丝（例如60Si2M n、50CVA等），直径虽然不很大，但由于钢丝太硬，不容易冷绕，也应该用热绕的方法制成弹簧，然后再进行淬火和回火。

弹簧材料特性和允许工作应力的确定表，表4注：1。

表中的T或［T ］值是参考性质而不是硬性的规定。

表中所列的（T b值可参看表6、7、8、9、10。

2.压、拉圆弹簧在川组工作特点下，材料的T值如表所示，而U组工作特点的［T ］=0.8 T ,I组的［T ］=0.6 T,表中已打好折扣。

3.如用带钩腿的拉伸弹簧，T值应降低25%4 .如为扭转弹簧，则T" 1.25 T。

其他弹簧钢丝机械性能表，表5正级碳素弹簧钢丝的抗拉极限强度（7 b和允许扭转工作应力［T ］（公斤力/毫米）表。

表6中级碳素弹簧钢丝的抗拉极限强度（7 b和允许扭转工作应力［T ］（公斤力/毫米）表。

表7高级碳素弹簧钢丝的抗拉极限强度7 b和允许扭转工作应力［T ］（公斤力/毫米）表。

表8H H H HM 3M2D D 公斤HM102公斤1P 2公斤五.弹簧 ，公斤 公斤工作图扭转弓簧淮图拉伸单时图技术要求1•弹簧材料 2•展开长 L=毫米 3•旋向 （左或布 4.工作圈数 n=圈5•总圈数包括公差门=圈6. 热处理7. 表面处理8. 制造、试验和验收条件压缩弹簧工作图（公斤力/毫米 2）要的弹簧）的 [T ]的[T ]0.3265 133 106 80 0.5 265 133 106 80 0.8 260 130 104 78 1 250 125 100 75 1.2 240 120 96 72 1.4 230 115 92 69 1.6 220 110 88 66 1.8 210 105 84 63 2 200 100 80 60 2.5 180 90 72 54 3 170 85 68 51 3.5 165 83 66 50 4 160 80 64 48 4.5 150 75 60 45 5 150 75 60 45 6 140 705642有色金属弹簧丝的机械性能表。

表9锡锌青铜弹簧丝 硅锰青铜弹簧丝直径 （毫米） 抗拉极限（T b（公斤力/毫 米2） 延伸率S 10% 直径 （毫米）抗拉极限T b （公斤力/毫米2）延伸率S 10% 1.0~2.5 90 5 0.7~1.5 100 5 2.5~4.0 85 10 2.0~3.5 95 10 4.0~8.0 83 10 3.5~4.5 90 10 8.0~10 78208.0~10 8530於P 2-六•压缩、拉伸弹簧的计算基本公式。

压缩一拉伸圆弹簧公式简表，表10■ d 38KD 2七•扭转弹簧的计算 1 •计算的基本问题a.扭转弹簧和压、拉弹簧一样，计算的基本问题也是负荷、变形和应力的问题，但不以F 来表示，而是用扭矩M 和扭转角「来表示负荷和变形b •扭转弹簧在M 2的作用下，所产生的内应力主要是弯曲应力［c ］，而不是扭转应力［T ］ 假如不知道材料的弯曲应力［c ］，可以按下式换算： c" 1.25 T 或［c ］〜1.25［ T ］。

一般弹簧的允许弯曲工作应力［c ］，可以直接从表4中查出。

①拉伸弹簧在卷绕过程中，使具有初应力时，圈数n= 8 P 2 - P o D ；F 2Gd 4式中预加负荷c •影响弹簧指数的曲度系数，以 Q = 归1来表示，它跟压、拉弹簧的 K 不同，这点在表4C — 42已区分清楚，查表时不要弄错。

d •当扭转弹簧在工作时，圈和圈之间将相靠紧摩擦的很厉害， 因此建议：间距0.5毫米, 并加润滑油。

e .对于压、拉螺旋弹簧的卷绕方向是左还是右旋，一般对工作，没影响（除非是串联或同心 弹簧才用反向）。

对于扭转弹簧，一定要注意它的旋向，不能弄错，否则就会造成报废。

扭转弹簧转动的方向不能采取逆转，那样会使弹簧张开而不能工作。

正确的旋绕方法就象给 钟表上发条一样，越旋越紧。

可是，这样又带来了副作用，当各圈在顺转收闭时，间隙过小的芯轴，就会被咬住转不动。

因此，必须计算出在最大扭转角时的内径缩小值。

从理论上讲，当扭转弹簧扭紧时，假定 各圈为均匀地缩小，那末其内径的理论平均缩小值为：D/PD 2 丄—；360n 沁根据上式，就不难求出扭转后的中径值 D 2 =D 2——n +360(A1)n和扭转后的内径D 1二D 2 -d 。