弹簧基本知识
弹簧基本知识
-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
弹簧材料的选择
弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、对导电导磁的要求、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。
在确定材料截面形状和尺寸时，应当优先选用国家标准和部颁标准所规定的系列尺寸，尽量避免选用非标准系列规格的材料。
中、小型弹簧，特别是螺旋拉伸弹簧，应当优先用经过强化处理的钢丝，铅浴等温冷拔钢丝和油淬火回火钢丝，具有较高的强度和良好表面质量，疲劳性能高于普通淬火回火钢丝，加工简单，工艺性好，质量稳定。
碳素弹簧钢丝和琴钢丝冷拔后产生较大的剩余应力，加工弹簧后，存在较大的剩余应力，回火后尺寸变化较大，难以控制尺寸精度。油淬火回火钢丝是在钢丝是在钢丝拉拔到规定尺寸后进行调制强化处理，基本上没有剩余应力存在，成型弹簧后经低温回火，尺寸变化很小，耐热稳定性好于冷拔强化钢丝。
大中型弹簧，对于载荷精度和应力较高的应选用冷拔材或冷拔后磨光钢材。对于载荷精度和应力较低的弹簧，可选用热轧钢材。
钢板弹簧一般选用55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB等牌号的扁钢。螺旋弹簧的材料截面，应优先选用圆形截面。正方形和矩形截面材料，承受能力较强，抗冲击性能好，又可使弹簧小型化，但材料来源少。且价格较高，除特殊需要外，一般尽量不选用这种材料。近年来，研制用圆钢丝轧扁代替梯形钢丝，取得了很好的效果。
在高温下工作的弹簧材料，要求强度有较好的热稳定性、抗松弛或蠕变能力、抗氧化能力、耐一定介质腐蚀能力。
弹簧的工作温度升高，弹簧材料的弹性模量下降，导致刚度下降，承载能力变小。因此，在高温下工作的弹簧必须了解弹性模量的变化率（值），计算弹簧承载能力下降对使用性能的影响。按照GB1239规定，普通螺旋弹簧工作温度超过60℃时，应对切变模量进行修正，其公式为：Gt=KtG 式中G——常温下的弹性模量；Gt——工作温度t下的切变模量；Kt——温度修正系数按表2—98选取。
在低温下使用的弹簧材料，应具有良好的低温韧性。碳素弹簧钢丝、琴钢丝和1Cr18Ni9等奥氏体不锈钢弹簧钢丝、铜合金、镍合金有较好的低温韧性和强度。
在低温下，材料的脆性对表面缺陷十分敏感，因此，对材料表面质量应严格要求。
在低温下，环境介质对材料腐蚀程度比在温室下小得多，而镀镉和镀锌易引起冷脆。
在低温下，材料的弹性模量和膨胀系数变化不大，在设计中可以不考虑。
弹簧钢制作的弹簧，硬度（即强度）的选用应依据弹簧承载性质和应力大小而定。但是，硬度高低与平面应变断裂韧性关系极大。
从曲线关系可以看出，随着硬度增加，平面应变断裂韧性（KIC）值显著下降。这就是说在确定弹簧的硬度硬度值时，应本着在满足弹簧特性要求的前提下，弹簧的硬度值偏低一些好。
弹簧选材时，要注意钢材的淬透性。弹簧材料截面是否淬透以及淬透的程度，对弹簧质量关系极大。
以弹簧本身作导体的电器弹簧或在湿度变化不定的条件下，如水（包括海水）、水蒸气环境中工作的弹簧，一般选用铜和金材料。
在酸类接触极其他腐蚀介质下工作的弹簧，一般选用不锈耐酸钢或镍合金等耐蚀材料。在一般环境介质条件下使用的弹簧，选用普通弹簧钢，制成弹簧后在其表面进行防锈涂覆或电镀（镀锌、镀镉、镀铜）的方法防蚀。
在衡器和仪表中使用的弹簧，为了满足其精度不受温度变化的影响，一般选用弹性模量和膨胀系数变化极小的恒弹性合金。
在要求质轻、绝缘、防碰、防锈蚀等特殊用途的弹簧，可选用增强塑料。目前，较为适用的塑料弹簧，是用环氧树脂、酚醛树脂为基体，用玻璃纤维增强的热固增强塑料GFRP。也可选用防振橡胶制造各种类型的橡胶弹簧。
拉簧、压簧的设计方法
弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。
具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数C。由于sb与d有关，所以往往还要事先假定弹簧丝的直径d。接下来计算d、n的值及相应的其它几何尺寸，如果所得结果与设计条件不符合，以上过程要重复进行。直到求得满足所有约束条件的解即为本问题的一个可行方案。实际问题中，可行方案是不唯一的，往往需要从多个可行方案中求得较优解。
例12-1设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，簧丝剖面为圆形。已知最小载荷Fmin=200N，最大载荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，弹簧Ⅱ类工作，要求弹簧外径不超过28mm，端部并紧磨平。
解：
试算(一)：
(1) 选择弹簧材料和许用应力。选用C级碳素弹簧钢丝。
根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。
(2) 计算弹簧丝直径d
由式得K=1.21
由式得d≥4.1mm
由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。
试算(二)：
(1) 选择弹簧材料同上。为取得较大的I>d值，选C=5.3。
仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。
查表1得sb=1520MPa，由表2知[t]=0.41sb=623MPa。
(2) 计算弹簧丝直径d
由式得K=1.29
由式得d≥3.7mm。
可知：I>d=4.4mm满足强度约束条件。
(3) 计算有效工作圈数n
由图1确定变形量λmax：λmax=16.7mm。
查表2，G=79000N/mm2，
由式得n=9.75
取n=10，考虑两端各并紧一圈，则总圈数n1=n+2=12。至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。
试算(三)：
(1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得sb=1520MPa，
[t]=0.41sb=623MPa。
(2) 计算弹簧丝直径。得d≥3.91mm。知d=4mm满足强度条件。
(3)计算有效工作圈数n。由试算(二)知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2
由式得n=6.11
取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。
这一计算结果即满足强度与刚度约束条件，从外形尺寸和重量来看，又是一个较优的解，可将这个解初步确定下来，以下再计算其它尺寸并作稳定性校核。
(4) 确定变形量λmax、λmin、λlim和实际最小载荷Fmin
弹簧的极限载荷为：
因为工作圈数由6.11改为6.5，故弹簧的变形量和最小载荷也相应有所变化。
由式得：
λmin=λmax－h=(17.77-10)mm=7.77mm
(5) 求弹簧的节距p、自由高度H0、螺旋升角γ和簧丝展开长度L
在Fmax作用下相邻两圈的间距δ≥0.1d=0.4mm，取δ=0.5mm，则无载荷作用下弹簧的节距为
p=d+λmax/n+δ1 =(4+17.77/6.5+0.5)mm=7.23mm
p基本符合在(1/2～1/3)D2的规定范围。
端面并紧磨平的弹簧自由高度为
取标准值H0=52mm。
无载荷作用下弹簧的螺旋升角为
基本满足γ=5°～9°的范围。
弹簧簧丝的展开长度
(6) 稳定性计算
b=H0/D2=52/24=2.17
采用两端固定支座，b=2.17<5.3，故不会失稳。
(7) 绘制弹簧特性线和零件工作图。(end)
弹簧的类型及功用
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。
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。
弹簧术语中英文对照表
Active number of coils(turns)：有效圈数计算弹簧刚度时的圈数
Axial pitch：轴向节距截锥涡卷弹簧轴向的节距
Angular relationship of ends：收口的角关系拉簧的钩环的相对位置
Baking：Heating of electroplated springs to relieve hydrogen embrittlement.
Buckle：弹簧箍固紧簧板的金属箍
Closed ends：闭收口
closed and ground ends：磨平闭收口
Close-wound：密身
Characteristic：弹簧特性工作负荷与变形量之间的关系
Diameter of wire cord：索径多股螺旋弹簧钢索直径
Deflection：变形量（挠度）弹簧沿负荷方向产生的相对位移
Deflection at ultimate load：极限负荷下的变形量弹簧在极限负荷下沿作用方向产生的相对位移
Free height(length)：自由长度（高度）弹簧无负荷时的长度（高度）
Free angle：自由角度扭转弹簧无扭矩作用时两臂的夹角
Fatigue test：疲劳试验
Height(length) at ultimate load：极限高度（长度）弹簧承受极限负荷时的长度（高度）Hot-setting：加温立定处理在高于弹簧工作温度条件下的立定处理
Helix：螺旋形状、螺旋线。
Hydrogen embrittlement：氢脆变
Initial tension (Pi)：初如拉力密圈螺旋拉伸弹簧在冷卷时形成的内力，其值为弹簧开始产生拉伸变形时所需要的作用力
Initial load：初始负荷
Impact test：冲击试验
Load (P)：负荷
Loops：环
Mean diameter or coils：弹簧中径弹簧内径和中径的平均值
Modulus：模量
Modulus in compression：压缩模量橡胶弹簧在压缩时的弹簧模量
Number of end coils：支承圈数弹簧端部用于支承或固定的圈数
Open ends, not ground：开口不磨平
Open ends ground：开口磨平
Passivating：钝化
Pitch：节距螺旋弹簧两相邻有效圈截面中心线的轴向距离
Pitch of wire cord：索距多股螺旋弹簧钢索中钢丝的导程
Permanent deformation / Temporary deformation：永久变形弹簧卸荷后自由高度（长度、角度）
Permanent set:永久变形
Pre-set：To remove permanent set prior to application installation.
Prestressing：强压（拉、扭）处理
Radial pitch：径向节距截锥涡卷弹簧径向的节距
Rate (R)：斜率
Remove：移除
Setting：立定处理
Spring index：旋绕比螺旋弹簧中径与材料直径（或材料截面沿弹簧径向宽度）的比值Slenderness ratio：高径比（细长比）螺旋压缩弹簧自由高度与中径的比值
Space：间距螺旋弹簧两相邻有效圈的轴向间距
Solid height：压并高度压缩弹簧压至各线圈接触时的理论高度
Solid load：压并负荷弹簧压并时的理论负荷
Stress at solid position：压并应力弹簧压并时的理论应力
Stress relieve：应力消除
Spring constant：弹簧刚度产生单位变形量的弹簧负荷
Spring flexibility：弹簧柔度单位工作负荷下的变形量
Spccified load：工作负荷弹簧工作过程中承受的力或扭矩