彈簧的基礎(chǔ)知識(shí)匯總

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彈簧是機(jī)械和電子行業(yè)中廣泛使用的一種彈性元件，彈簧在受載時(shí)能產(chǎn)生較大的彈性變形，并把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復(fù)到原狀，同時(shí)將變形能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功或動(dòng)能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。

一、彈簧的作用

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• 緩沖和減振。如汽車、火車車箱下的減振彈簧，各種緩沖器的緩沖彈簧等；
• 控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。如內(nèi)燃機(jī)中的閥門彈簧，離合器中的控制彈簧等；
• 儲(chǔ)存及輸出能量。如鐘表彈簧、槍閂彈簧等；
• 測量力的大小。如彈簧秤，測力器中的彈簧等；
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二、彈簧的分類

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按受力性質(zhì)彈簧分為：拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧。

拉伸彈簧(簡稱拉簧)是承受軸向拉力的螺旋彈簧，拉伸彈簧一般都用圓截面材料制造。在不承受負(fù)荷時(shí)，拉伸彈簧的圈與圈之間一般都是并緊的沒有間隙。

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壓縮彈簧(簡稱壓簧)是承受向壓力的螺旋彈簧，它所用的材料截面多為圓形，也 有用矩形和多股鋼縈卷制的，彈簧一般為等節(jié)距的，壓縮彈簧的圈與圈之間有一定的間隙，當(dāng)受到外載荷時(shí)彈簧收縮變形，儲(chǔ)存形變能。

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扭轉(zhuǎn)彈簧屬于螺旋彈簧。扭轉(zhuǎn)彈簧可以存儲(chǔ)和釋放角能量或者通過繞簧體中軸旋轉(zhuǎn)力臂以靜態(tài)固定某一裝置。扭轉(zhuǎn)彈簧的端部被固定到其他組件，當(dāng)其他組件繞著彈簧中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，該彈簧將它們拉回初始位置，產(chǎn)生扭矩或旋轉(zhuǎn)力。

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還有兩種不常見的空氣彈簧和碳納米管彈簧；

空氣彈簧是在柔性密閉容器中加入壓力空氣，利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧，用在高檔車輛的懸架裝置中可以大大改善車輛的平順性，從而大大提高了車輛運(yùn)行的舒適性，所以空氣彈簧在汽車、鐵路機(jī)車上得到了廣泛的應(yīng)用。

碳納米管彈簧：需要先制出碳納米管薄膜，再利用紡絲技術(shù)將碳納米管薄膜紡成碳納米管彈簧。直徑可以達(dá)上百微米，而長度可以達(dá)幾厘米，有望應(yīng)用于可伸縮導(dǎo)體、柔性電極、微型應(yīng)變傳感器、超級(jí)電容器、集成電路、太陽能電池、場發(fā)射源、能量耗散纖維等領(lǐng)域，還有望應(yīng)用于醫(yī)療器械，比如拉力傳感繃帶等。

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三、彈簧的材料和許用應(yīng)力

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彈簧在工作中常受交變和沖擊載荷，又要求有較大的變形，所以彈簧材料應(yīng)具有高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限和疲勞強(qiáng)度。在工藝上要有一定的淬透性、不易脫碳，表面質(zhì)量好。

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四、彈簧的制造

螺旋彈簧的制造工藝過程包括：卷制、掛鉤的制作或端面圈的精加工、熱處理和工藝性能試驗(yàn)。

大量生產(chǎn)時(shí)，是在萬能自動(dòng)卷簧機(jī)上卷制；單件及小批生產(chǎn)時(shí)，則在普通車床或手工制作。彈簧絲直徑小于或等于8mm時(shí)，常用冷卷法，卷前要熱處理，卷后要低溫回火。直徑大于8mm時(shí)，采用熱卷（熱卷溫度800℃～1000℃）法，熱卷后經(jīng)淬火和中溫回火處理，彈簧成形后要進(jìn)行表面質(zhì)量檢驗(yàn)，表面應(yīng)光潔、無傷痕、無脫碳等缺陷；受變載荷的彈簧，還須經(jīng)噴丸等表面處理，以提高彈簧疲勞壽命

五、彈簧的端部結(jié)構(gòu)

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壓縮彈簧除參加變形的有效圈數(shù)n外，為了使壓縮彈簧工作時(shí)受力均勻，保證彈簧中心線垂直于端面，彈簧兩端各有3/4～7/4圈并緊起支承作用，工作時(shí)不參與變形，故稱為死圈或支承圈。

拉伸彈簧端部有掛鉤，以便安裝和加載。常用的端部結(jié)構(gòu)有四種型式；半圓鉤環(huán)、圓鉤環(huán)制造方便，應(yīng)用廣泛，但因掛鉤過渡處產(chǎn)生很大彎曲應(yīng)力，故只宜用于彈簧絲直徑d≤10mm的彈簧。可調(diào)式和可轉(zhuǎn)式掛鉤受力情況較好，且可轉(zhuǎn)向任何位置以便于安裝。

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六、彈簧的應(yīng)力計(jì)算

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▲壓縮彈簧的受力分析

圖(a)為圓柱形螺旋壓縮彈簧，承受軸向工作載荷 F 由截面法分析，得知彈簧絲截面受剪力 F 及扭矩 T=FD/2，扭矩引起的剪應(yīng)力為：

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若考慮剪力 F 引起剪應(yīng)力的影響和彈簧絲呈螺旋狀曲率影響，最大剪應(yīng)力 t 發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)圖(b)，其數(shù)值與強(qiáng)度條件應(yīng)為：

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式中 C——旋繞比，C=D/d ，可按表1選用

K——彈簧曲度系數(shù)，

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K 也可直接從表2查出，由表知，C 越大，K對(duì) t 的影響越小；

F——彈簧的工作載荷N；D——彈簧中徑mm；d——材料直徑mm。

在式1中，以彈簧的最大工作載荷 F2 代替 F，便可得到按強(qiáng)度條件計(jì)算彈簧鋼絲直徑的公式：

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拉伸彈簧強(qiáng)度計(jì)算方法與壓縮彈簧相同

七、彈簧不到位及失效原因

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在實(shí)際工作中，我們常碰到彈簧不能把運(yùn)動(dòng)物體推到設(shè)定的位置，也就是說彈簧的計(jì)算自由長度變短了。其主要原因是沒有作初壓縮處理，就是把一根制造成的彈簧，用較大的力把它壓縮到他的壓縮高度或并緊高度(有必要的話)，放開后不能恢復(fù)到他原來的自由長度的操作。其縮短量稱為“初壓縮量”。一般重復(fù)了3-6次壓縮后，長度不再縮短，即彈簧“定位”。經(jīng)初壓縮后彈簧發(fā)生永久變形。

八、彈簧預(yù)防措施

在實(shí)際工作中，壓簧即使受到超出材料彈性限以外的力，也應(yīng)能維持它的工作長度。因此，成品簧的長度應(yīng)等于彈簧的計(jì)算長度加初壓縮量，可避免簧不到位，以免簧圈并緊時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致彈簧示性線發(fā)生異常而不到位。成品簧在熱處理過程中，特別是需經(jīng)淬硬和回火工藝，一定要將工件橫置(臥)在爐內(nèi)，以防彈簧因自重作用而變短導(dǎo)致作業(yè)不到位。

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