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1、第十六章彈簧設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)1．了解常用彈簧的類型、特點(diǎn)、應(yīng)用、材料及制造工藝；2．掌握?qǐng)A柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；彈簧是靠彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的零件，它可以在載荷的作用下產(chǎn)生較大的彈性變形。在機(jī)械設(shè)備和儀器儀表中，彈簧的功能不同，其結(jié)構(gòu)類型有很多種。圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的應(yīng)用最廣。本章主要介紹其結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算以及常用的彈簧特點(diǎn)和應(yīng)用?！?6.1彈簧的功能、類型及特性曲線彈簧在各類機(jī)械中的應(yīng)用十分廣泛，是一種常用的彈性零件，其主要功能有：1）緩沖吸振。例如汽車中的緩沖彈簧、鐵路機(jī)車車輛的緩沖器、彈性聯(lián)軸器中的彈簧等。這類彈簧具有較大的
2、彈性變形，以便吸收較多的沖擊能量。有些彈簧在變形過(guò)程中能依靠摩擦消耗部分能量以增加緩沖和吸振的作用。2）控制運(yùn)動(dòng)。例如內(nèi)燃機(jī)的閥門彈簧，離合器。制動(dòng)器和凸輪機(jī)構(gòu)中的彈簧等。這類彈簧常要求在某變形范圍內(nèi)作用力變化不大。3）儲(chǔ)存和釋放能量。例如自動(dòng)機(jī)床的刀架自動(dòng)返回裝置中的彈簧，經(jīng)常開閉的容器中的彈簧，儀表和儀器中的發(fā)條等。這類彈簧既要求有較大的彈性，又要求有穩(wěn)定的作用力。4）測(cè)量力和力矩的大小。例如測(cè)力器、彈簧秤中的彈簧等。這類彈簧要求有穩(wěn)定的載荷－變形性能。彈簧的載荷－變形曲線稱為彈簧特性曲線，特性曲線的形式與彈簧的結(jié)構(gòu)有關(guān)。按照所承
3、受載荷的不同，彈簧可以分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種。按照彈簧的形狀不同又可以分為螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、板簧和平面渦卷彈簧等。圖16－11、等節(jié)距圓柱螺旋彈簧此種圓截面簧絲的圓柱形彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。特性曲線呈線性，剛度穩(wěn)定，應(yīng)用最為廣泛。圖16－22、扭轉(zhuǎn)圓柱螺旋彈簧主要用于各種裝置中的壓緊和蓄能。3、圓錐螺旋彈簧結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、多用于承受較大載荷和減振，其防共振能力比不等節(jié)距圓柱螺旋彈簧好。圖16－34、碟形彈簧緩沖及減振能力強(qiáng)。采用不同的組合可能得到不同的特性曲線。常用于重型機(jī)械的緩沖及減振裝置
4、。圖16－4圖16－55、環(huán)形彈簧具有很高的消振能力，是最強(qiáng)力的緩沖彈簧。常用在鐵路車輛、飛機(jī)著陸裝置的緩沖裝置中?！?6.2彈簧的材料、許用應(yīng)力和制造一、彈簧的材料和許用應(yīng)力彈簧在工作時(shí)常受到變載荷或沖擊載荷的作用，為了保證彈簧能夠持久可靠地工作，其材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時(shí)應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。彈簧材料及性能可以查閱相關(guān)手冊(cè)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1239.6-92，GB4357-89）。常用的彈簧鋼主要有：1、碳素彈簧鋼這種彈簧鋼（例如65、70鋼）的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，原材料來(lái)源方便；缺點(diǎn)是彈性
5、極限低，多次重復(fù)變形后易失去彈性，并且不能在130oC的溫度下正常工作。2、低錳彈簧鋼這種彈簧鋼（如65Mn）與碳素彈簧鋼相比，優(yōu)點(diǎn)是淬透性較好和強(qiáng)度較高；缺點(diǎn)是淬火后容易產(chǎn)生裂紋及熱脆性。但由于價(jià)格便宜，所以一般機(jī)械上常用于制造尺寸不大的彈簧，例如離合器彈簧等。3、硅錳彈簧鋼這種鋼（例如60Si2MnA）中因?yàn)榧尤肓斯?，所以可以顯著提高彈性極限，并提高了回火穩(wěn)定性，因而可以在更高的溫度下回火，從而得到良好的力學(xué)性能。硅錳彈簧鋼在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用一般用于制造汽車、拖拉機(jī)的螺旋彈簧。4、鉻釩鋼這種鋼（例如50CrVA）中加入釩的目
6、的是細(xì)化組織，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。這種材料的耐疲勞和抗沖擊性能良好，并能在－40oC～210oC的溫度下可靠的工作，但價(jià)格較貴。多用于要求較高的場(chǎng)合，如用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的彈簧。此外，某些不銹鋼和青銅等材料，具有耐腐蝕的特點(diǎn)，青銅還具有磁性和導(dǎo)電性，故常用于制造化工設(shè)備中或工作于腐蝕介質(zhì)中的彈簧。其缺點(diǎn)是不容易熱處理，力學(xué)性能較差，所以在一般機(jī)械中很少采用。選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮到彈簧的用途、重要程度、使用條件（包括載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性，工作持續(xù)時(shí)間，工作溫度和周圍介質(zhì)情況等），加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素。同時(shí)，也要參照現(xiàn)有
7、設(shè)備中使用的彈簧，選作出較為合用的材料。二、圓柱螺旋彈簧的制造及端部結(jié)構(gòu)為了便于使用，彈簧的端部一般會(huì)根據(jù)需要做成各種各樣的型式。圓柱螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)型式及代號(hào)可以查閱GB1239.6-92。螺旋彈簧的制造工藝包括：1）卷制；2）掛鉤的制作或端面圈的精加工；3）熱處理；4）工藝試驗(yàn)及強(qiáng)壓或噴丸處理。卷制分冷卷及熱卷兩種。冷卷用于經(jīng)預(yù)先熱處理后拉成的直徑小于8～10mm的彈簧絲，冷卷成彈簧后不再進(jìn)行淬火處理，只進(jìn)行回火處理以消除在卷制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；直徑較大的彈簧絲制作的強(qiáng)力彈簧則用熱卷法，熱卷時(shí)的溫度依據(jù)彈簧鋼絲直徑的大小在800o
8、C～1000oC的范圍內(nèi)選擇，卷制完成后需要在進(jìn)行淬火和回火處理，熱處理后的彈簧表面不應(yīng)該出現(xiàn)顯著的脫碳層。對(duì)于重要的壓縮彈簧，為了保證兩端面的承壓面與其軸線垂直，應(yīng)將端面圈在磨床上磨平。此外，彈簧還須進(jìn)行工藝試驗(yàn)和根據(jù)
