弹簧的载荷-变形曲线称为弹簧 特性曲线,特性曲线的形式与弹簧的 结构有关。
按照所承受载荷的不同,弹簧可 以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹 簧和弯曲弹簧等四种。按照弹簧的形 状不同又可以分为螺旋弹簧、环形弹 簧来自碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧 等。
弹簧在工作时常受到变载荷或冲击载荷的作 用,为了保证弹簧能够持久可靠地工作,其材 料必须具有高的弹性极限和疲劳极限,同时应 具有足够的韧性和塑性,以及良好的可热处理 性。
选择材料时,应考虑到弹簧的用途、重要 程度、使用条件(包括载荷性质、大小及循环 特性,工作持续时间,工作温度和周围介质情 况等),加工、热处理和经济性等因素。同时, 也要参照现有设备中使用的弹簧,选作出较为 合用的材料。
为了便于使用,弹簧的端部一般会根 据需要做成各种各样的型式。圆柱螺旋弹 簧的端部结构型式及代号可以查阅 GB1239.6-92。
对于重要的压缩弹簧,为了保证两端 面的承压面与其轴线垂直,应将端面圈 在磨床上磨平。
此外,弹簧还须进行工艺试验和根 据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲 击、疲劳等试验,以检验弹簧是否符合 技术要求。弹簧的持久强度和抗冲击强 度取决于弹簧丝的表面状况(如光洁度、 裂纹、伤痕等),表面脱碳会严重影响 材料的性能。
弹簧是靠弹性变形来实现其功 能的零件,它可以在载荷的作用下产 生较大的弹性变形。在机械设备和仪 器仪表中,弹簧的功能不同,其结构 类型有很多种。圆柱螺旋压缩(拉伸) 弹簧的应用最广。本章主要介绍其结 构、设计计算以及常用的弹簧特点和 应用。
螺旋弹簧的制造工艺包括:1)卷制; 2)挂钩的制作或端面圈的精加工;3)热 处理;4)工艺试验及强压或喷丸处理。
卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经 预先热处理后拉成的直径小于8~10mm的 弹簧丝,冷卷成弹簧后不再进行淬火处理, 只进行回火处理以消除在卷制时产生的内 应力;直径较大的弹簧丝制作的强力弹簧 则用热卷法,热卷时的温度依据弹簧钢丝 直径的大小在800ºC~1000ºC的范围内选 择,卷制完成后需要在进行淬火和回火处 理,热处理后的弹簧表面不应该出现显著 的脱碳层。
1)缓冲吸振。例如汽车中的缓冲弹簧、 铁路机车车辆的缓冲器、弹性联轴器中的 弹簧等。这类弹簧具有较大的弹性变形, 以便吸收较多的冲击能量。有些弹簧在变 形过程中能依靠摩擦消耗部分能量以增加 缓冲和吸振的作用。
弹簧材料及性能可以查阅相关手册、规范 和标准(GB/T1239.6-92,GB4357-89)。常用 的弹簧钢主要有:
便宜,原材料来源方便;缺点是弹性极限低, 多次重复变形后易失去弹性,并且不能在130ºC 的温度下正常工作。 2、低锰弹簧钢
2)控制运动。例如内燃机的阀门弹簧,离合 器。制动器和凸轮机构中的弹簧等。这类弹簧 常要求在某变形范围内作用力变化不大。
3)储存和释放能量。例如自动机床的刀架自 动返回装置中的弹簧,经常开闭的容器中的弹 簧,仪表和仪器中的发条等。这类弹簧既要求 有较大的弹性,又要求有稳定的作用力。
4)测量力和力矩的大小。例如测力器、弹簧 秤中的弹簧等。这类弹簧要求有稳定的载荷- 变形性能。
这种钢 (例如50CrVA)中加入 钒的目的是细化组织,提高钢的强 度和韧性。这种材料的耐疲劳和抗 冲 击 性 能 良 好 , 并 能 在 - 40ºC ~ 210ºC的温度下可靠的工作,但价格 较贵。多用于要求较高的场合,如 用于制造航空发动机调节系统中的 弹簧。
此外,某些不锈钢和青铜等材料,具有耐 腐蚀的特点,青铜还具有磁性和导电性,故常 用于制造化工设备中或工作于腐蚀介质中的弹 簧。其缺点是不容易热处理,力学性能较差, 所以在一般机械中很少采用。
为了提高承载能力,还可以在弹簧制 成后进行强压处理或喷丸处理。强压处理 是使弹簧在超过极限载荷的作用下持续 6~8h,以便在弹簧丝表层产生高应力区, 产生塑变和有益的与工作应力反向的残余 应力,使弹簧在工作时的最大应力下降, 从而提高弹簧的承载能力。强压处理后的 弹簧不允许再进行热处理,也不宜在较高 温度(150ºC~450ºC)、交变载荷及腐蚀 介质中使用。
喷丸处理是在弹簧热处理后, 用钢丸或砂子高速喷射弹簧表面, 使其表面受到冷作硬化,产生有益 的残余应力,改善弹簧表面质量、 提高疲劳强度和冲击韧性的有效措 施。实践证明:如果使用适当,弹 簧经喷丸处理后,可提高疲劳强度 达50%。
这种弹簧钢(如65Mn)与碳素弹簧钢相比, 优点是淬透性较好和强度较高;缺点是淬火后 容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜,所 以一般机械上常用于制造尺寸不大的弹簧,例 如离合器弹簧等。
这种钢(例如60Si2MnA)中 因为加入了硅,所以可以显著提高 弹性极限,并提高了回火稳定性, 因而可以在更高的温度下回火,从 而得到良好的力学性能。硅锰弹簧 钢在工业上得到了广泛的应用一般 用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。