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弹簧设计规范(全)

弹簧设计规范

一、弹簧的功能

弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有：

⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。

⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。

⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。

⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。

二、弹簧的类型、特点和应用

弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表1。

表1　弹簧的基本类型、特点和作用

名称	弹簧简图	特点及应用	名称	弹簧简图	特点及应用
圆柱形螺旋弹簧		图(a)承受拉力，图(b)承受压力，结构简单，制造方便，应用最为广泛	碟形弹簧		承受压力，缓冲及减振能力强，常用于重型机械的缓冲和减振装置。
圆柱形螺旋扭转弹簧		承受转矩，主要用于各种装置中的压紧和蓄能	环形弹簧		承受压力，是目前最强的压缩、缓冲弹簧，常用于重型设备，如机车车辆、锻压设备和机械中的缓冲装置。
圆锥形螺旋弹簧		承受压力，结构紧凑，稳定性好，防振能力较强，多用于承受大载荷和减振的场合	盘簧		承受转矩，能储存较大的能量，常用作仪器、钟表中的弹簧。
板弹簧		承受弯曲，变形大，吸振能力强，主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。

在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。

三、弹簧使用的材料及其用途

弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。

弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn,50CrMn,30W4Cr2V等。

a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。

b、大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度～

850度左右之油或水中，再施以400度～500度的温度回火。

c、小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，卷成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。

d、琴钢丝是属高炭钢材（0.65～0.95%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。

e、不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。

f、油回火线含碳量0.6～0.7%应含锰，0.6～1.0%常用于螺圈弹簧。

g、板弹簧常用0.9～1.0%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。

项目	名称	JIS代码	概略组成	主要用途及特点	单价级别	回火温度	热后颜
1	不锈钢线	SUS302和WPB	C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Ni(镍)、Cr(铬)、Mo(钼)	经过冷加工可得高强度，铁路车辆、输送机螺丝、螺帽、弹簧等，耐热、耐蚀。	中	300°～480°之间（视线径之大小）	米灰亮白
1	不锈钢线	SUS304和WPB	C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Ni(镍)、Cr(铬)、Mo(钼)	广为使用于不锈钢、耐热钢，又用于食品设备，一般仪学设备，原子力，耐热耐蚀。	中	300°～480°之间（视线径之大小）	米灰亮白
2	碳钢线	SWCSWB	C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)	硬拉钢线，用于耐蚀性差，要求精度不高，钢性较脆，成形后要表面处理或加防锈油。	低	200°～400°之间（视线径之大小）	淡茶、茶、青、淡蓝、褐
3	琴钢线	SWPASWPB	C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(四巧板磷)、S(硫)、Cu(铜)	耐疲劳性佳，要求精度高。一般用于电池弹簧、开关弹簧等、钢性柔韧，成形后要表面处理或加防锈油。	高	200°～400°之间（视线径之大小）	同SWPA、SWPB
4	铍铜线	C1720W	Be(铍)、Mn(锰)、Ni(镍)、P(磷)[Cu(铜)+Sn(锡)+P(磷)]Ni(镍)+Co(钴)	耐蚀性佳，于时效硬化处理前，富于展性时效硬化处理后，增加耐疲劳性，导电性时效硬化处理应加工后，可制螺丝弹簧电刷，通讯器具（表面镀银、金）。	特高	150°~200°	黄
5	磷青铜	C5191W	Sn(锡)、Zn(锌)、P(磷)	耐疲劳性，耐蚀性、耐磨耗性佳，可制螺丝弹簧、扭簧、扣钮、扎电机、通讯市场适用（镀金、银）。	较高	150°~200°	黄
6	其它	如油回火线、白铜线及其它线材，不常用，适用于航天科技。镀镍线等同SWC+Ni。			常需特别制做，造价昂贵。

弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。

表2　螺旋弹簧的常用材料和许用应力

材料		许用应力[r]MPa			推荐使用温度/℃	推荐硬度范围	特点及应用
类别	牌号	Ⅰ类	Ⅱ类	Ⅲ类	推荐使用温度/℃	推荐硬度范围	特点及应用
碳素弹簧钢丝	B、C、D级	0.3σh	0.4σh	0.5σh	-40-120		价廉易得，热处理后强度较高，但尺寸大了不易淬透，多用于制作小弹簧
合金钢丝	60SiMn	480	640无铬钝化液	800	-40-200	45-50HRC	弹性和回火稳定性好，但易脱碳，适用于制造受重载的大弹簧。
	50CrVA	450	600	750	-40-210		有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于制造受变载荷的弹簧
	60SiCrVA	570	760	950	45-50		强度高，弹性好，耐高温，适用于承受重载荷的弹簧
不锈钢丝	4CrI3	450	600	750	-40-300		耐腐蚀，耐高温，适用于受腐蚀介质影响的弹簧
青铜丝	QSi3--1	270	360	450	-40-120	48-53HRC	耐腐蚀，防磁，适用于机械或仪表中的弹簧
青铜丝	QSn4--3	270	360	450	-40-120	90-100100HRC	耐腐蚀，防磁，适用于机械或仪表中的弹簧

在选择材料时，应考虑弹簧的用途、重要性、工作条件（如载荷性质、大小及循环特性，工作温度和周围介质，工作时间等）、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。如碳素弹簧钢的价格低，强度高，性能好，广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧；合金钢的强度高，弹性好，耐温高，适用于尺寸较大及承受冲击载荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧；铜合金的耐腐和抗磁性好，但强度低，适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。表3为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。

非金属弹簧的材料主要是橡胶，另外还有塑料、软木和空气等。

弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸，弹簧的工作条件和重要程度有关，弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类（见表2）；循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为Ⅰ类；循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为Ⅱ类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为Ⅲ类。

碳素弹簧钢的强度高、性能好，供应充足，应用广泛，适于制造弹簧丝直径d≤13mm的弹簧。按照用途分为三级：B级（d＝0.08-10mm）用于低应力弹簧；C级d＝0.08-10mm用于中等应用弹簧；D级（d＝0.08-6.0mm）用于高应力弹簧。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限σb见表3。

表3　GB4357-89碳素弹簧钢丝抗拉强度（GB/T1239.6-92）单位：MPa

钢丝直径d/mm	级别			钢丝直径 d/mm	级别
钢丝直径d/mm	B级	C级	D级	钢丝直径 d/mm	B级	C级	D级
1.00	1600	1960	2300	4.5	1320	1520	1620
1.2	1620	1910	2250	5.0	1320	1470	1570
1.4	1620	1860	2150	防护耳罩 5.5	1270	1470	1570
1.6	1570	1810	2110	6.0	1220	1420	1520
1.8	1520	1760	2010	6.3	1220	1420	1520
2.0	1470	1710	1910	7.0	1170	1370	-
2.2	1420	1660	1810	8.0	1170	1370	-
2.5	1420	1660	1760	9.0	1130	1320	-
2.8	1370	1620	1710	10.0	1130	1320	-
3.0	1370	1570	1710	11.0	1080	1270	1270
3.2	1320	1570	1710	12.0	1080	1270	1270
3.5	1320	1570	1660	13.0	1030	1220	1220
4.0	1320	1520	1620

四、弹簧设计资料

记号	名称		单位	记号	名称	单位	记号	甲胺基苯丙酮名称	单位
d	材料直径		mm	k	弹簧定数	kgf/mm	a1	腕长(作动点)	mm
D	弹簧平均径		mm	τ	应力修正	kgf/mm	a2	腕长(固定点)	mm
Na	有效圈数			δ	变量	mm	E	弹性系数	kgf/mm
L	自由长		mm	Pi	初张力	kgf		SUS19,000	kgf/mm
M	密着长		mm	K	应力修正系数	-		SWP21,000	kgf/mm
G	横弹性系数		kgf/mm2	e	弹簧指数D/d	-	活性炭采样管 kTd	弹簧定数	kgfmm/deg
	SUS	7000	kgf/mm2	L0	自由长	mm	σ	弯曲应力	kgf/mm
	SWPA、B	8000	kgf/mm2	a	自由角	°	P点	作动点	-
	SUWC			φd	使用的角(变量)	°	P0点	固定点	-
P	弹簧荷重		kgf	R	荷重作用半径	mm	kb	弯曲修正系数	-

压缩弹簧(无研磨)压缩弹簧(研磨)

弹簧定数：全热交换机K=（G×d4）/（8×D3×Na）

弯曲应力：τ=（8×D×P）/（πd3）×K

K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C

荷重：P=K×δ

（安全确认）

安全角（间隔角）：14度以下

弹簧指数：4—13

扭转应力：容许限界以下

第1荷重（A）：0.8L以下

第2荷重（B）：1.2M以上

引张弹簧

荷重：P=kδ+Pi

初张力：Pi=（πd4G）/（800D2）

弹簧定数：K=（Gd4）/（8D3Na）

弯曲应力：τ=（8DP）/（πd3）×k

自由长：L0=d(N+1)+2.2(D-d)

（安全确认）

扭转应力：容许限界以下

弯曲应力：容许限界以下

初张力的减少：（最大引张时）

扭力弹簧

(臂长度的场合)

弹簧定数不清：kTd=（Ed4）/[3667D×N+389(a1+a2)]

荷重：P=（kTd×φd）/R

弯曲应力：σ=（Ed×φd）/（360D×N）

σ=（32P×R）/（πd3）×kb

(安全确认)：kb=（4C2–C-1）/[4C(C-1)]

弯曲应力：容许限界以下

4.1、弹簧设计使用的基本公式

4.1.2、有初始张力的拉伸弹簧

4.2、设计弹簧时应考虑的因素

材料	符号	G（N/mm2）
弹簧钢	SUP6,7,8,9,9A,10,11A,12,13	78x103
碳钢丝	SW-B,SW-C	78x103
琴钢丝	SWPA,SWPB	78x103
油回火钢丝	SWO,SWO-V,SWOC-V，SWOSC-V,SWOSM,SWOSC-B	78x103
不锈钢丝	SUS302,SUS304,SUS304N1,SUS316	69x103
不锈钢丝	SUS631J1	74x103