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弹 簧 基 础 知 识

一、 弹簧的定义、作用、类型：

1．弹簧的定义：
弹簧是一种机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能（位能），或把变形能（位能）转变为机械功或动能。

2．弹簧的作用：
(1)减震 （2）控制运动 （3）测量器材的衡定 （4）储存能量

3．弹簧的基本特性
（1）刚度：载荷与变形的关系（单位变形量所产生的载荷）。 单位是：N/mm
柔度：单位载荷下产生的变形量 。 它与刚度成反比
（2）弹簧的变形能（变形所储存的能量，储存——转换——释放）
（3）自振频率
(4)弹簧受迫振动的振幅。

4.弹簧的类型
4．1 圆柱螺旋弹簧
圆截面材料圆柱螺旋压缩弹簧
矩形截面材料圆柱螺旋压缩弹簧
扁截面材料圆柱螺旋压缩弹簧
不等节距圆柱螺旋弹簧
多股螺旋弹簧
圆柱螺旋拉伸弹簧
圆柱螺旋扭转弹簧

4．2 非圆柱螺旋弹簧

截锥螺旋弹簧
中凹形螺旋弹簧
中凸形螺旋弹簧
组合螺旋弹簧
非圆形螺旋弹簧
4．3 其它类型弹簧
线成型 片弹簧 ……..
二、常用的名词诠释。
1． 工作负荷：弹簧工作过程中承受的力和扭距。
2． 弹簧刚度：单位变形量所产生的负荷。
3． 弹簧柔度：单位工作负荷下所产生的变形量。
4． 初拉力：密圈螺旋拉伸弹簧在冷卷时形成的内应力，其值为弹簧开始产生拉伸变形时所需的作用力。
5． 自由高度（长度）：弹簧无负荷时的高度（长度）。
6． 压并高度：压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。
7． 总圈数：沿螺旋轴线两端间的螺旋圈数。
8． 有效圈数：（工作圈数）计算弹簧刚度时的圈数。
9． 支承圈数：弹簧端部用于支承或固定的圈数。
10． 弹簧中径：弹簧内径和外径的平均值。
11． 节距：螺旋弹簧两相邻有效圈截面中心线的轴向距离。
12． 间距：（坑距）螺旋弹簧两相邻有效圈轴向间距。
13． 旋绕比：弹簧中径与线径的比值。
14． 高径比：螺旋压缩弹簧自由高度与中径的比值。
15． 立定处理：将热处理后的压缩弹簧压缩到工作极限负荷下的高度或压并高度（拉伸到弹簧工作极限下的长度，扭转到工作极限扭转角）一次或多次短暂压缩（拉伸或扭转）以达到稳定弹簧几何尺寸的主要目的的一种工艺方法。（定型）
16． 强压（拉、扭将弹簧压缩（拉、扭）至弹簧材料表层产生有益的工作应力反向残余力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法。（存储能量）
17． 疲劳试验：考核弹簧疲劳性能的试验。
三、形位公差：（形状与位置的公差称形位公差）
分类
名称
符号
分类
定向
名称
符号
形状公差
直线度

位置公差
平行度
∥
平面度

垂直度
⊥
真圆度
○
倾斜度
∠
线轮廓度
⌒
定位
同心度
◎
面轮廓度
⌒
同轴度

位置度
○
跳动
圆跳动
↗
全跳动
↗↗

弹簧常用的符号和单位

A——弹簧材料截面面积（mm2）弯曲刚度（N/mm）；系数
a——矩形截面材料垂直于弹簧轴线的边长（mm）；系数
B——平板的弯曲刚度（N/mm）；系数
b——高径比；矩形截面材料平行于弹簧轴线的边长；系数
C——螺旋弹簧旋绕比；碟簧直径比；系数
D——弹簧的中径（mm）
D1——弹簧内径（mm）
D2——弹簧外径）（mm）
d ——弹簧材料的直径（mm）
E——弹性模量（Mpa）
F——弹簧的载荷（N）
F'——弹簧的刚度（N/mm）
Fj——弹簧的工作极限载荷（N）
Fo——圆柱拉伸弹簧的初拉力（N）
Fr——弹簧的径向载荷（N）
F`r——弹簧的径向刚度（N/mm）
Fs——弹簧的试验载荷（N）
f——弹簧的变形量（mm）
fj——工作极限载荷Fj下的变量（mm）
fr——弹簧的静变形量（mm）
fs——试验载荷Fs下弹簧的变形量（mm）；线性静变形量（mm）
fo——拉伸弹簧对应于初拉力Fo的假设变形量（mm）；膜片的中心变形量（mm）
G——材料的切变模量（MPa）
g——重车加速度，g=9800mm/s2
H——弹簧的工作高（长）度（mm）
Ho——弹簧的自由高（长）度（mm）
Hs——弹簧试验载荷下的高（长）度（mm）
h——碟形弹簧的内截锥高度（mm）
I——惯性矩（mm4）
Ip——极惯性矩（mm4）
K——曲度系数；系数
Kt——温度修正系数
k——系数
L——弹簧材料的展开长度（mm）
l——弹簧材料有效工作圈展开长度（mm）；板弹簧的自由弦长（mm）
M——弯曲力矩（N.mm）
m——作用于弹簧上物体的质量(kg)
ms——弹簧的质量(kg)
N——变载荷循环次数
n——弹簧的工作圈数
nz——弹簧的支承圈数
nl——弹簧的总圈数
p`——弹簧单圈的刚度（N.mm）
R——弹簧圈的中半径（mm）
R1——弹簧圈的内半径（mm）
R2——弹簧圈的外半径（mm）
r——阻尼系数
S——安全系数
T——扭转刚度(N.mm/(°))
t——弹簧的节距
tc——钢索节距(mm)
U——变形能(N.mm);(N.mm.rad)
V——弹簧的体积(mm3)
υ——冲击体的速度(mm/s)
zm——抗弯截面系数(mm3)
zt——抗扭截面系数(mm3)
α——螺旋角(°);系数
β——钢索拧角(°);圆锥半角(°);系数
δ——弹簧圈的轴向间隙(mm)
δr——组合弹簧圈的径向间隙(mm)
ζ——系数
η——系数
θ——扭杆单位长度的扭转角(rad)
κ——系数
μ——泊松比;长度系数
ν——弹簧的自振频率(HZ)
νr——弹簧所受变载荷的激励频率(HZ)
ρ——材料的密度（kg/mm3）
σ——弹簧工作时的正应力（MPa）
σb——材料的抗拉强度（MPa）
σj——弹簧的工作极限应力（MPa）
σs——材料的抗拉屈服点（MPa）
τ——弹簧工作是的切应力（MPa）
τb——材料的抗剪强度（MPa）
τj——弹簧的工作极限切应力（MPa）
τo——材料的脉动扭转疲劳极限（MPa）
τs——材料的抗扭屈服点（MPa）
τ-1——材料的对称循环扭转疲劳极限（MPa）
φ——扭转变形角（°）；（rad）

弹 簧 的 材 料
1 概述
弹簧是在较高的应力下工作，材料表面受力最大，弹簧材料的综合力学性能和材料表面质量，直接影响到弹簧的质量。保证和提高弹簧材料力学性能和物理化学性，是确保弹簧正常工作的关键。

弹簧材料用量最多的是弹簧钢，其次是铜合金、镍合金、高弹性和恒弹性合金以及橡胶和工程塑料之类的非金属材料。

为了满足某些弹簧的特殊要求，也常常选用一些超高强度钢、高速工具钢、不锈耐酸钢和热强钢中的某些牌号做弹簧钢的使用。

1．1 通用弹簧钢的现状

1．热成型弹簧钢材料 热成型弹簧都是一些较大型弹簧材料截面的具有高的弹性和优异的综合力学性能，在钢中除了加适当的碳量（碳的质量分数一般在0.45%--1.0%）,还应加入强化基体和增加淬透性的合金元素,效果是显著的是Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V等；一是加入微量的活性元素，如B、Ti、Zr、Nb以及稀土元素的主要目的是稳定组织状态，从而提高弹簧材料对微量塑性变形的抗力和抗松弛性。当前世界各国正是根据上述合金原理发展通用弹簧钢。
在我国弹簧钢标准GB1222—84中，共有17个钢种，其中碳素钢3种、锰钢1种、硅锰钢
3种、含硼钢3种、铬锰钢4种、硅铬钢、铬钒钢和钨铬钒各1种.

2．冷成型弹簧钢材料 弹簧用量最多的是中、小型弹簧，拉簧，扭簧和小弹簧。
我司最常用的有碳素弹簧钢丝: 65Mn、70#、70A、70B、82B、55Si2Mn、60Si2Mn…….
普通要求的产品用:65Mn、70#、70A、70B ………
高要求的产品用:82B、琴线
此类材料热处理后外径变小。
1．2 铜合金和镍合金（广泛用于航海、化工、电器、仪器等工业部门）
铜合金有优良的导电性、非磁性、导热性以及良好的耐蚀性和耐磨性，冷拔（轧）强化后有较高的强度，冲击时不产生火花和易加工等特点。热处理温度一般在180℃～220℃。
镍合金有很高的耐腐蚀性，是制造食品加工机械上弹簧的良好材料。
我司最常用的铜合金有：红铜、青铜、黄铜、磷铜……..
我司最常用的镍合金有：SUS301、SUS302、SUS304（有磁性）、SUS316（无磁性）.此类材料热处理后外径变大。
2．弹簧钢丝的抗拉强度：单位MPa（见图表）
1MPa=1N/mm2
线径越大抗拉强度越小，反之。（原因）
3．弹簧钢丝线径的检测：
运用十字法检测，钢丝的椭圆度是线径公差的一半。

弹簧的热处理、强化处理和表面处理
弹簧热处里的目的就是在于充分发挥材料的潜力，使之达到或接近最佳的力学性能，从而保证弹簧在使用状态下长期可靠地工作。
随着机械向高速度、重载荷、质量轻、体积小的方向发展,对弹簧也提出了更高的要求.为了消除不利的剩余应力,改善弹簧表层的应力分布状况、获重高的有益应力，除了在选择材料和热处理中采取措施外，在弹簧的制造中，经常采用机械强化工艺，如抛丸处理、立定处、强压（拉、扭）处理、滚压处理等。
1．弹簧的热处理工艺
弹簧的热处理工艺，主要是根据弹簧材料的品种和加工状态来制定的，概括起来可分为三种类型。
第一种类型：凡是用经过强化处理的钢丝，如碳素弹簧钢丝、琴钢丝、油淬火回火弹簧钢丝和钢带以准成形工艺制作的弹簧，成形后只需进行去应力退火处理。
第二种类型：凡是用经过固溶处理和冷拉强化的奥氏体不锈钢、沉淀硬化的的不锈钢钢丝、钢带和铜镍全金材料发冷成形工艺制作的弹簧，成形后需进行时效硬化处理。
第三种类型：凡是用热成形和已退火材料冷卷的弹簧，均需进行淬火回火处理。
1.1弹簧的淬火
弹簧的淬火 淬火就是把钢加热到临界温度Ac3 或Ac1以上保温一定时间，使其奥氏体化，再以大于临界冷却速度急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。
1.2弹簧的回火
弹簧的回火 将淬火后的弹簧重新加热到低于Ac1的某一选定温度，并保温一定时间，然后适宜产冷却的工艺方法，叫做回火。回火的目的是：获得所需要的力学性能，稳定弹簧的组织和尺寸发及消除内应力。
2、弹簧的立定处理、强压（强拉、强扭）处理
2.1立定处理 对压缩弹簧是把弹簧缩到工作极限高度或并紧高度数次，一般是3~5次；对拉伸弹簧，是把弹簧长度拉到工作极限长度数次；扭转弹簧，是把弹簧顺工作方向扭转到极限扭转角数次。
2.2强压（强拉、强扭）处理 对压缩弹簧是把弹簧 压至材料层的应力超过屈服点，使表面产生负剩余应力，心部产生正剩余应力。更好发挥心部材料的作用（因为与载荷产生的作用应力方向相反，相互抵消），提高使用寿命。
2.3弹簧的预制高度的计算 弹簧经过立定处理、强压处理后自由高度降低。为了要使弹簧达到图样上规定的自由高度，在卷簧时的卷制高度外要留出变形量，这个高度就叫预制高度。回为立定和强压处理影响的因素较多，故变形量不能很精确的计算。
立定处理时螺旋压缩弹簧的预制高度H`o=Kofj+(Ho-fj)
强压处理时螺旋压缩弹簧的预制高度H`o=（0.12~0.13）fj+Ho
Ho 弹簧的自由高度过 fj 处理时的压缩变形量 Ko 系数
弹簧的抛丸处理
抛丸处理俗称喷丸处理或喷丸强化。它是提高机械零件疲劳寿命的有效方法之一,在弹簧制造业中广泛应用。
抛丸处理就是发高速弹丸流喷射弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成了一定厚度的表面强化层。从应力状态来看，强化层内形成了较高的剩余压应力。由于材料表面剩作压应力的存在，当弹簧在承受变载荷时，可发抵消一部分变载荷作用下的最大拉应力，从而提高弹簧的疲劳强度。从组织结构看，强化层内形成了密度极高的位错，在随后的变应力、温度、或二者同时的作用下，位错逐渐排列规则，形成多边形，即强化层内逐渐形成更加微小的亚晶料（亚结构）。这种表面层冷作硬化的结果，同样也具有增加疲劳强度的作用。
另外,抛丸处量还能清除弹簧表面的疵点(微小的缺陷、脱碳)，减少应力集中等，从而消除或减少疲劳源。
弹簧的表面处理
弹簧的腐蚀其反应的类型可发为化学腐蚀及电化学腐蚀。它们都是弹簧表面金属原子的变化或电子得失变成离子状态的结果。
如果弹簧表面金属只单纯与周围介质发生化学反应，而使弹簧引起腐蚀称化学腐蚀。例如弹簧在特别干燥的大气中氧化生成氧化膜，以及弹簧在非电解质液体中与该液体或该液体中的杂质发生化学变化等，属于化学腐蚀。
如果弹簧与电解质溶液接触，由于微电池的作用而产生的腐蚀叫电化学腐蚀。例如弹簧与酸性或盐类溶液接触，这类溶液都是电解质，由于弹簧表面的缺陷或杂质等原因而形成电位差不同的电极以致弹簧不断受到电解腐蚀；又例如弹簧处在潮湿大气中，由于大气中的水蒸气在弹簧表面上凝成水膜或水珠，加上大气中的腐蚀性气体（如工业废气中的二氧化硫和硫化氢或海洋大气中的盐雾等）溶解于水膜或水珠中形成电解质。再加上弹簧金属的杂质或缺陷亦或形成电位差不同的电极，弹簧亦产生电解腐蚀。这些都属于电化学腐蚀。
弹簧受化学腐蚀是少量的、缓慢的而受电化学腐蚀是主要的、普遍的。但一般来讲化学腐蚀与电化学腐蚀是同时存在的。
弹簧在制造、存放、使用等过程中，经常会遭受周围介质的腐蚀。由于弹簧在工作时是靠弹力发挥作用，弹簧被腐蚀后弹力会发生改变而丧失功能。所以防止弹簧的腐蚀可以保证弹簧的工作稳定，并延长其使用寿命。
弹簧的工艺流程与检验
备料——绕制——除油——手工——热处理——立定——磨口——喷丸——低温回火（200ºC，低于去应力退火的温度，因为避免消除立定或喷丸产生的效果）——表面处理——包装
具体工序检验程序如下:
1．绕制:(1)外观(无变形、无毛刺、无伤痕、无锈渍、直线度、平面度、形状与图纸相
符…..)
(2)尺寸:运用量具或专用量规按“作业指导书”进行检验,在测量自由高度时,是测弹簧的最高点.当自重影响高度时,在水平方向测量.
(3)特性: 力度、疲劳、扭转测试:运用测力机、疲劳测试机、扭转测试机按“作业指导书”的要求进行测试。
2.除油：表面无油渍，烘干后保证弹簧无变形。
3.热处理：(1)外观(碳素钢线热后不可发蓝，除油后热处理的弹簧表面不可发黄，应是材料本色)
(2)尺寸及特性要求： 按“作业指导书”进行检验。
4.立定:(直线度)
将弹簧放在平台上或用直尺靠在弹簧表面,测量弹簧与平台或直尺之间的间隙值.
5.磨口:(1)垂直度:用平板和直角尺测量弹簧外圆母线对端面的垂直度在无负荷状态下,弹簧与直角尺自转一周后再检查另一端测量垂直度的最大值.
(2)磨面:需磨端面的3/4(在没有客户特殊要求的情况下)
6.喷丸:(标准试片)
7.回火:(1)外观
(2) 尺寸及特性要求： 按“作业指导书”进行检验。
8.表面处理;包括镀锌(白锌、蓝锌、彩锌、黑锌…)、镀镍 、挂铬、磷化……。
外观：无变形，无发黑、发黄，电镀层无脱落。
9．包装：按“作业指导书”进行全方位检测。
圆柱螺旋弹簧的计算
一、圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式:
旋绕比C=D/d 高径比b=H0/D
刚度： F′= Gd4/8D3n=GD/8C4n （F2-F1/H2-H1）
工作圈数: n=Gd4f/8FD3=GD/8C4F′
节距(收口1N): (磨口时) t=H0-1.5d/n
(不磨口整圈时) t= H0-2.5d/n
(不磨口半圈时) t= H0-2.0d/n
二、圆柱螺旋拉伸弹簧的计算公式:
刚度: F′=Gd4/8D3n =Gd/8C3n=GD/8C4n F2-F1/H1-H2
工作圈数: n=Gd4f/8FD3=GD/8C4F
初拉力: F0=πd3/8D﹒τo F1— F′×H1或F2—F′×H2
旋绕比C=3-4时 τo=120-200 C=4-5时 τo=100-180
C=5-6时 τo=80-160 C=6-7时 τo=75-150
C=7-8时 τo=65-135
三、圆柱螺旋扭转弹簧的计算公式
刚度：T′=Ed4/3670Dn〔N﹒mm/（°）〕
扭转角度；φ=3670﹒(πDT/Ed4 ) （°）
工作圈数：n=Ed4φ/3670DT
四、单位换算。
1inch英寸=25.42mm
1英尺 =0.3048米
1千克 =9.8牛顿
1磅 =16盎司=0.4536千克

•材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，表示材料弹性变形的难易程度。
•E= s/є 弹性模量（MPA）正应力和正应变关系
•G= t/γ 切变模量（MPA）切应力和切应变关系
•弹性模量越大，材料刚度越大，决定于金属键。
两个模量是材料本身固有的特性，与其内部的晶体结构、成份、金相组织等有关系，而与尺寸外形等没关系。