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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, 枪栓弹簧, 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, 常见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, 是当前最强的压缩、 缓冲弹簧, 常见于重型设备, 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, 常见作仪器、 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, 最常见的是圆柱螺旋弹簧。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, 因此弹簧钢材用较高的含碳量。可是碳素钢的淬透性较差, 因此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, 她们能够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,常见于高级轿车板簧, 发动机气门弹簧等。其它弹簧钢材料还有: 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, 捲成后再经硬化回火, 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%常见于螺圈弹簧。
g、 板弹簧常见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
热后颜色
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)
米灰色亮白色
SUS304和WPB
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。
2
碳钢线
SWC SWB
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)
淡茶色、 茶色、 青色、 淡蓝色、 褐色
3
琴钢线
SWPA SWPB
C(碳)、 Si(硅)、 Mn(锰)、 P(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°
黄色
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°
黄色
6
其它
如油回火线、 白铜线及其它线材, 不常见, 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　螺旋弹簧的常见材料和许用应力
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
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
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, 常见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
QSn4--3
90-100100HRC
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, 供应充分, 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
B级
C级
D级
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
5.5
1270
1470
1570
1.6
1570
1810
2110
6.0
1220
1420
1520
1.8
1520
1760

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
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

SUS 19,000
kgf/mm
M
密着长

mm
K
应力修正系数
-

SWP 21,000
kgf/mm
G
横弹性系数

kgf/mm2
e
弹簧指数 D/d
-
kTd
弹簧定数
kgfmm/deg

SUS
7000
kgf/mm2
L 0
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: 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

4.1.1、 压缩弹簧与没有初始张力的拉伸弹簧

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
4.2.1、 剪切弹性模量G
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
SUS631 J1
74x103
4.2.2、 有效圈数
压缩弹簧
分别表示螺旋两端的端部磨平圈数
图a-c 中闭口型, X1=X2=1
图d-f 中开口型, X1=X2=0.75
拉伸弹簧: Na=Nt
4.2.3、 螺旋端部形状

( a) 闭口端( 无磨削) ( b) 闭口端( 磨削) ( c) 闭口端( 锥形)

( d) 开口端( 无磨削) ( e) 开口端( 磨削) ( f) 开口端( 锥形)

( g) 开口端3/4端部磨平圈( 无磨削) ( h) 正切尾端( 无磨削) ( i) 抽头尾端( 无磨削)
4.2.3、 应力修正系数
相对于弹簧指数c的应力修正系数取决于下式或图

4.2.4、 其它应考虑的事项
⑴、 弹簧指数c: 弹簧指数减小会导致局部应力过大。另外, 弹簧指数较大或较小时, 加工性也成问题。因此, 热轧成型时, 弹簧指数可在4～15的范围内选择。冷轧成形时, 弹簧指数可在4～22的范围内选择。
⑵、 纵横比: 为了确保有效圈数, 压缩弹簧的纵横比( 自由高度与螺旋平均直径之比) 可设定为0.8以上, 另外, 在考虑到端部磨平圈的情况下, 一般可在0.8～4范围内选择。
⑶、 有效圈数: 如果有效圈数为3以下, 弹簧特性则会变得不稳定, 因此应将弹簧指数设定为3以上。
⑷、 节距: 节距超过0.5D时, 由于螺旋直径一般会随着绕曲量(负载)的增加而发生变化, 需要对利用基本公式求出的绕曲量与扭转应力进行修正, 因此应将节距设定为0.5D以下。
五、 弹簧电镀相关资料
NO
表面处理
简单工艺介绍
镀后颜色
用途
镀层厚度
盐雾试验标准
1
镀金(Au)
除油→酸洗→镍底→镀金→烘干
金色
降低接触电阻, 耐磨耗, 保真效果。
①0.04~0.06μm薄 ②1.2~1.5μm厚
24H以上
2
镀铬(Cr)
除油→酸洗→打铜底2次(碱铜、 酸铜)→镍底→镀铬→烘干
天蓝色
硬度高, 耐磨性好, 反光能力强, 有较好的耐热性。
铬0.5μm薄 15μm以上厚
24H以上
3
镀银(Ag)
除油→酸洗→打镍底→镀银→烘干
银色
导电性(金属中)佳, 导热率佳。
镍3~5μm 银0.04~0.06μm
连续喷8H,WKS IJL 16H(欧230标准)24H以上
4
镀镍(Ni)
电解
除油→酸洗→打铜底(必要时)→镀镍(滚镀)
白色
防腐性佳, 焊锡, 导电耐磨性。
3~5μm
JIS 3H(连续喷雾)
无电解
除油→酸洗→镍底(镍磷合金化学分解)
白色
耐蚀性好(较电解)镀层均匀。
3~5μm
JIS 3H(连续喷雾)
5
镀锡(Sn)
除油→酸洗→镍底→镀锡
亮白色
便于焊锡, 导电性一般。
3~5μm
24H以上
6
镀锌(Zn)
黑锌
除油→酸洗→镀锌→发黑
黑色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
蓝锌
除油→酸洗→镀锌→发蓝
蓝色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
五彩锌
除油→酸洗→镀锌→发五彩
五彩(赤橙黄绿青)
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
白锌
除油→酸洗→镀锌→烘干
白色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
7
染黑
除油→酸洗→染黑(片碱同亚销酸钠)
黑色
较精密, 对尺寸有较小影响, 防锈。
1~2μm
一般不做,常温保持一年(上油情形下)。

中性盐雾试验标准: 浓度3%、 5%、 20%(化钠)、 PH值6.5~7.2之间, 温度95%, 降雾每1~2ml/H/80cm2, 喷嘴压力0.8~1.4Kg, 放置垂直挂或斜15~30°, 不可直接喷在2件上。