弹簧的类型、材料及强度处理方法

2023-06-16 理论教育版权反馈

【摘要】：如离合器、制动器和凸轮机构中的控制弹簧等。如钟表或仪表中的发条弹簧、枪机弹簧等。按照承受载荷的不同，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。(三)弹簧的材料弹簧通常承受变载荷和冲击载荷，需要有较大的弹性变形，所以对弹簧的材料要求较高。拉伸、扭转弹簧的两端要制作挂钩或工作臂，以便固定和加载。强压处理是将弹簧在超过极限载荷下，受载6 ～48h。这个关系对拉簧、压簧和扭簧均适用。

(一)弹簧的功用

弹簧是一般机械中的常用零件之一，它是靠弹性变形而工作的弹性元件。在外载作用下，弹簧产生较大的弹性变形，把机械功或动能转变为变形能，在卸载时，弹簧恢复变形，把变形能变为动能或机械功。由于弹簧具有这样的特性，它常应用在以下几方面:

(1) 缓冲和吸振。如车辆弹簧，各种缓冲器中的弹簧等。

(2) 控制运动。如离合器、制动器和凸轮机构中的控制弹簧等。

(3) 储存能量。如钟表或仪表中的发条弹簧、枪机弹簧等。

(4) 测量力或力矩。如测力器弹簧秤中的弹簧等。

(二)弹簧的类型

为了满足不同的工作要求，弹簧有各种不同的类型。按照承受载荷的不同，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。按照弹簧外形的不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、盘簧和板簧等。除金属弹簧外，还有空气弹簧和橡胶弹簧等。表3-10 列出了弹簧的基本类型。

表3-10　弹簧的基本类型

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在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧，它由圆剖面弹簧丝卷绕制成。本节主要介绍这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。

(三)弹簧的材料

弹簧通常承受变载荷和冲击载荷，需要有较大的弹性变形，所以对弹簧的材料要求较高。弹簧材料除应具有较高的强度极限、屈服极限外，还应具有较高的弹性极限和疲劳极限，一定的冲击韧性和良好的热处理性能。工程上常用的弹簧材料有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢、铜合金以及橡胶和塑料等。常用弹簧材料及性能见表3-11。

表3-11　常用弹簧材料及性能

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续表

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选择材料时，应充分考虑弹簧的工作条件( 载荷大小及性质、工作延续时间、工作温度和周围介质的情况)、功用、重要性和经济性等因素。在一般情况下应优先采用碳素弹簧钢，其含碳量在0.6% ～0.9%(65#和70#钢) ，按其机械性能分为Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅱa 组及Ⅲ组。通常Ⅰ组用于重要场合，Ⅲ组用于不重要场合，一般机械中的弹簧大多采用Ⅱ组。当弹簧在工作时要承受较大的变载荷或冲击载荷，应采用合金弹簧钢(60Si2MnA、50CrVA) 。当弹簧在潮湿或酸碱等化学腐蚀介质中工作时，应采用不锈弹簧钢(1Cr18N19Ti、4Cr13) 或铜合金( QSi3-1、QSn4-3) 。

(四)弹簧的许用应力

弹簧的许用应力与材料及载荷性质有关。弹簧载荷性质可分为以下三类:

Ⅰ类:受变载荷循环次数为N ＞106的弹簧。

Ⅱ类:受变载荷循环次数为N=103～106的弹簧，以及受冲击载荷的弹簧。

Ⅲ类:受变载荷循环次数为N ＜103的弹簧，以及受静载荷的弹簧。

根据弹簧材料及以上分类，由表3-10 可查得弹簧的许用应力。

(五)弹簧的制造

螺旋弹簧的制造过程包括:卷绕、两端加工、热处理和工艺试验等。为了提高承载能力，还可在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理。

卷绕分冷卷和热卷两种。当钢丝直径较小( d ＜8mm) 或弹簧直径较大易于卷绕时，一般采用冷卷法。冷卷弹簧常用经过热处理的冷拉材料，在常温下卷绕成型，不再淬火，只需进行低温回火以消除内应力。当簧丝直径较大( d ＞8mm) ，或簧丝直径虽小于8mm 但弹簧直径较小，则采用热卷法。热卷弹簧是在热状况下卷绕成型，卷好后必须进行淬火及中温回火处理。

压缩弹簧两端一般应并紧且磨平。拉伸、扭转弹簧的两端要制作挂钩或工作臂，以便固定和加载。

工艺试验是使螺旋弹簧承受2 ～3 次极限载荷后，检查热处理是否合格，有无缺陷，是否符合规定公差等。

强压处理是将弹簧在超过极限载荷下，受载6 ～48h。喷丸处理是用一定的速度喷射钢丸或铁丸撞击弹簧。这两种强化措施，都能使簧丝表层产生塑性变形，因而存在残余应力。

由于残余应力的方向和工作应力的方向相反，从而提高弹簧的承载能力。

(六)圆柱螺旋弹簧的基本特性

1.基本几何参数图3-30 所示为圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧基本几何参数，包括:d( 弹簧丝直径)、D( 弹簧外径)、D2( 弹簧中径)、D1( 弹簧内径)、α( 螺旋升角)、t( 节距)、H0( 自由高度)、n1( 弹簧总圈数)、L( 弹簧展开长度) 。各几何参数关系为:

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图3-30　圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的基本参数

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或

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式中:l 为拉伸弹簧挂钩的展开长度。以上各式对圆柱扭转螺旋弹簧完全适用，此时l 为扭转弹簧的工作臂的展开长度。压缩弹簧的螺旋升角α 一般为5° ～9°，拉伸和扭转弹簧的螺旋升角α 很小。螺旋线方向一般采用右旋。

2.弹簧指数弹簧中径D2与弹簧丝直径d 之比称为弹簧指数，以C 表示，即 pagenumber_ebook=68,pagenumber_book=58 弹簧指数又称旋绕比，它是反应弹簧特性的一个重要参数。当弹簧直径d 一定时，C 值越小，弹簧中径D2越小，弹簧越硬( 刚度越大) ;反之，弹簧越软( 刚度越小) 。C 值过小，卷绕弹簧困难，使簧圈内侧产生的应力过大，导致弹簧损坏。C 值过大，弹簧的径向尺寸过大，易使弹簧颤动，不稳定。

在设计弹簧时，通常需预选C 值，工程上一般取C =4 ～14，常取C =5 ～8。C 值的选取范围，可参见表3-12。

表3-12　弹簧指数C 的选取范围

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图3-31　压缩弹簧的特性线

3.弹簧特性线为了清晰地表明工作过程中弹簧的载荷与变形( 或高度) 之间的关系，常绘出载荷与变形的关系曲线，称为弹簧特性线。对于等节距的圆柱螺旋弹簧，其受载与变形成正比关系，因而其特性线为一直线。这个关系对拉簧、压簧和扭簧均适用。

(1) 压缩弹簧特性线:如图3-31 所示，图中H0为弹簧的自由高度，即弹簧未受载荷时的高度。安装弹簧时，通常使弹簧预先承受一定载荷F1，使其可靠地稳定在安装位置上，F1称为弹簧的最小工作载荷( 预加载荷) ，在F1的作用下，弹簧的高度被压缩到H1，其压缩变形量为λ1。F2为弹簧工作时受到的最大工作载荷，在F2的作用下，弹簧高度被压缩到H2，其压缩变形量增加到λ2。λ2－λ1=h，即弹簧的工作行程。Flim为弹簧的极限载荷，亦即在Flim作用下弹簧丝内的应力达到了弹簧材料的弹性极限，此时相应的弹簧高度为Hlim，压缩变形量为λlin。最大工作载荷F2通常由机构工作条件决定，由于在工作过程中一般不希望弹簧失去直线的特性关系，常取F2≤0.8Flim。而最小工作载荷F1=(0.1 ～0.5) F2。

压缩弹簧在载荷作用下完全并紧( 各圈接触) 的理论高度称为并紧高度Hb，此时所作用的载荷为并紧载荷Fb，对应的压缩变形量为λb。显然，一般λlim应略小于或等于λb，即λlim≤λb。

(2) 拉伸弹簧特性线:如图3-32 所示。按照卷绕方法不同，拉伸弹簧分为无初拉应力和有初拉应力两种。

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图3-32　拉伸弹簧的特性线

图3-32( a) 为无初应力的特性线，它和压缩弹簧的特性线相同，但其中F 为拉伸载荷，λ为伸长变形量。图3-32( b) 为有初应力的特性线。这种拉簧在卷绕后各圈相互并紧并使弹簧在自由状态下便有初拉力F0的作用，其相应的拉伸变形量为λ0。

当承受载荷时，首先要克服假想变形量λ0，弹簧才开始伸长。它适用于弹簧的轴向空间较小的地方。在一般情况下，F0约具有如下数值:弹簧丝直径d≤5mm，F0≈1/3Flim;d≥5mm，F0≈1/4Flim。

扭转弹簧特性线如图3-33 所示。由于扭转弹簧所受的载荷为扭矩，产生的变形为扭转角，所以特性线表示出扭矩T 与扭转角φ 之间的关系。

图3-33( a) 是用极坐标表示的特性线，图3-33( b) 是用直角坐标表示的特性线。T1、T2和Tlim，分别为扭转弹簧的最小工作扭矩( 预加扭矩) ，最大工作扭矩和极限扭矩; φ1、φ2和φlim是相应于T1、T2和Tlim时的扭转角;φ2－φ1=φ，即弹簧的工作行程。同样，最大工作扭矩T2通常由机构工作条件而定，常取T2＜0.8Tlim，T1=(0.1 ～0.5) T2。