第20章弹簧提示弹簧是机器中广泛应用的一种弹性零件。其种类很多，而圆柱螺旋弹簧制造简便、成本低，在机械制造中使用的最为普遍。本章介绍了各种弹簧的特点及其适用场合，并以圆柱螺旋（压缩与拉伸）弹簧为例，对弹簧设计的基本理论、基本设计方法和设计过程进行了讨论。基本要求通过对本章的学习，应掌握各种弹簧的特点、应用、弹簧参数对弹簧性能的影响及其合理选择；掌握圆柱螺旋弹簧设计的基本理论、基本设计方法和设计过程。20.1弹簧的类型及功用20.1.1弹簧分类20.1.2弹簧功用20.2弹簧的材料与制造20.2.1弹簧材料20.2.2材料选择20.2.3弹簧制造20.3弹簧工作原理20.3.1弹簧特性曲线20.3.2弹簧刚度20.4圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计20.4.1圆柱弹簧参数及几何尺寸20.4.2弹簧的强度计算20.4.2.1弹簧的受力20.4.2.2弹簧的强度20.4.2.3弹簧的刚度20.4.2.4稳定性计算20.5受变载荷螺旋弹簧的疲劳强度验算20.5.1疲劳强度计算20.5.2静强度验算本章小结20.1.1弹簧分类弹簧的种类很多，若按照其所承受的载荷性质，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。表中列出的是各种弹簧的基本型式螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成，由于制造简便，价格较低，易于检测和安装，所以应用最广。这种弹簧既可以制成受压缩载荷作用的压缩弹簧，又可以制成受拉伸载荷作用的拉伸弹簧，还可以制成承受扭矩作用或完成扭转运动的扭转弹簧。碟形弹簧可以承受很大的冲击载荷，具有良好的吸振能力，常用作缓冲减振弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。环形弹簧是目前减振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中的缓冲零件。螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。盘簧具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表的动力装置。板弹簧能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。下面给出了各种类型弹簧的实物图。1各种模具方弹簧钢板蜗卷弹簧各种蝶形弹簧各种摇窗机弹簧宝塔弹簧钢板圆柱螺旋各种规格拉簧、扭簧卡圈、档圈、阀片、筒圈、弹簧各种变径变节异型弹簧化工化肥阀弹簧各种规格压簧气配、摩托、连轴器弹簧20.1.2弹簧功用弹簧是通过其自身产生较大弹性变形进行工作的一种弹性元件。在各类机器中的应用十分广泛。其主要功用是：1）控制机械的运动，例如内燃机中控制气缸阀门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧（见图a）；2）吸收振动和冲击能量，例如各种车辆中的减振弹簧（见图b）及各种缓冲器的弹簧等；3）存储和释放能量，例如钟表弹簧（见图c）、枪栓弹簧等；4）测量力的大小，例如弹簧秤（见图d）和测力器中的弹簧等等220.2.1弹簧材料为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。图20-2碳素钢丝直径与强度的关系表20-2主要弹簧材料及其许用应力类别代号许用扭应力[τT]许用弯曲应力[σb]/MPa切变模量G/GPa弹性模量E/GPa推荐硬度范围HRC推荐使用温度°C特性及用途Ⅰ类弹簧Ⅱ类弹簧Ⅲ类弹簧Ⅰ类弹簧Ⅱ类弹簧钢丝碳素弹簧钢丝Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ0.3σb0.4σb0.5σb0.5σb0.625σb81.5～78.5204～202--40～120强度高，性能好，适于做小弹簧60Si2Mn60Si2MnA47162778578598178.519745～50-40～200弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧65Si2MnWA60Si2CrVA560745931931116747～52-40～250强度好，耐高温，弹性好30W4Cr2VA44258873573592043～47-40～350高温强度好，淬透性好。50CrVA45～50-40～210高疲劳强度，淬透性和回火稳定性好不锈钢1Cr18Ni9Ti32443254054067771.5193--250～300耐腐蚀，耐高温，适于做小弹...
