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1、第十六章彈簧設(shè)計教學目標1．了解常用彈簧的類型、特點、應用、材料及制造工藝；2．掌握圓柱螺旋彈簧的設(shè)計計算方法；彈簧是靠彈性變形來實現(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）彈簧的應用最廣。本章主要介紹其結(jié)構(gòu)、設(shè)計計算以及常用的彈簧特點和應用?！?6.1彈簧的功能、類型及特性曲線彈簧在各類機械中的應用十分廣泛，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）控制運動。例如內(nèi)燃機的閥門彈簧，離合器。制動器和凸輪機構(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）儲存和釋放能量。例如自動機床的刀架自動返回裝置中的彈簧，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）測量力和力矩的大小。例如測力器、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)簡單，制造方便。特性曲線呈線性，剛度穩(wěn)定，應用最為廣泛。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。采用不同的組合可能得到不同的特性曲線。常用于重型機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，是最強力的緩沖彈簧。常用在鐵路車輛、飛機著陸裝置的緩沖裝置中。§16.2彈簧的材料、許用應力和制造一、彈簧的材料和許用應力彈簧在工作時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，同時應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、規(guī)范和標準（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)點是價格便宜，原材料來源方便；缺點是彈性
5、極限低，多次重復變形后易失去彈性，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)點是淬透性較好和強度較高；缺點是淬火后容易產(chǎn)生裂紋及熱脆性。但由于價格便宜，所以一般機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）中因為加入了硅，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性能。硅錳彈簧鋼在工業(yè)上得到了廣泛的應用一般用于制造汽車、拖拉機的螺旋彈簧。4、鉻釩鋼這種鋼（例如50CrVA）中加入釩的目
6、的是細化組織，提高鋼的強度和韌性。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，但價格較貴。多用于要求較高的場合，如用于制造航空發(fā)動機調(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，青銅還具有磁性和導電性，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。其缺點是不容易熱處理，力學性能較差，所以在一般機械中很少采用。選擇材料時，應考慮到彈簧的用途、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)時間，工作溫度和周圍介質(zhì)情況等），加工、熱處理和經(jīng)濟性等因素。同時，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）工藝試驗及強壓或噴丸處理。卷制分冷卷及熱卷兩種。冷卷用于經(jīng)預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行淬火處理，只進行回火處理以消除在卷制時產(chǎn)生的內(nèi)應力；直徑較大的彈簧絲制作的強力彈簧則用熱卷法，熱卷時的溫度依據(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行淬火和回火處理，熱處理后的彈簧表面不應該出現(xiàn)顯著的脫碳層。對于重要的壓縮彈簧，為了保證兩端面的承壓面與其軸線垂直，應將端面圈在磨床上磨平。此外，彈簧還須進行工藝試驗和根據(jù)
