【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 拉伸螺旋彈簧 壓縮螺旋彈簧 有限元上主要受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的彈簧 扭桿彈簧 彈簧墊圈 蝸卷螺旋彈簧 有限元上主要受拉壓應(yīng)力的彈簧 —— 環(huán)形彈簧 卡緊彈簧 有限元上主要受復(fù)合應(yīng)力的彈簧 彎曲螺旋彈簧 受橫向載荷的螺旋彈簧 這種分類(lèi)方法在螺旋彈簧最易說(shuō)明間題，表 3 一 1 是螺旋彈簧的載荷狀態(tài) 11 和將它分成若于有限元后，每個(gè)有限元上所受的主要應(yīng)力。 表 3— 1 螺旋彈要受力狀態(tài)和有限元上的主要應(yīng)力 螺旋彈簧的載荷狀態(tài) 有限元上的主要應(yīng)力 拉伸 壓縮 扭轉(zhuǎn) 彎曲 橫向載荷 扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn) 彎曲 扭轉(zhuǎn)和彎曲 扭轉(zhuǎn)和彎曲 1） 在靜態(tài)條件下使用的彈簧 — 例如安全閥彈簧、彈簧墊圈、秤盤(pán)彈簧、定載荷彈簧和鐘表中的游絲。在這種情況下，設(shè)計(jì)上主要應(yīng)考慮的是靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題。 2）在動(dòng)態(tài)條件下使用的彈簧 — 例如利 用其回復(fù)性能的閥門(mén)彈簧、調(diào)速器彈簧等 。利用其減少振動(dòng)的車(chē)輛用懸掛彈簧和防振彈簧 。利用其吸收能量的聯(lián)軸器彈簧和電梯的緩沖彈簧等。在這種條件下使用的彈簧主要應(yīng)考慮彈簧的疲勞強(qiáng)度和共振的問(wèn)題。 1）在普通環(huán)境室溫下使用的彈簧； 2）在高溫度下工作的彈簧 (或稱(chēng)耐熱彈簧 )； 3）在腐蝕介質(zhì)下工作的彈簧 (或稱(chēng)耐蝕彈簧 )。 1）冷卷或冷壓成形彈簧 。 2）熱卷或熱壓成形彈簧。 1）Ⅰ級(jí)精度彈簧 。 2）Ⅱ級(jí)精度彈簧 。 3）Ⅲ級(jí)精度彈簧。 1)載荷 與變形成線(xiàn)性關(guān)系的彈簧 —— 一般的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、單板、扭桿和平面蝸卷彈。 12 2)載荷與變形成非線(xiàn)性關(guān)系的彈簧 —— 其中有滯后作用的如多層板彈簧，蝸卷螺旋彈簧、環(huán)形彈簧和碟形彈簧 。無(wú)滯后作用的有不等節(jié)距彈簧、變徑螺旋彈簧和組合式彈簧等。 彈簧的功能 1）控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，如 內(nèi)燃機(jī) 中的 閥門(mén) 彈簧、離合器中的控制彈簧等。 2）吸收振動(dòng)和沖擊能量，如汽車(chē)、火車(chē)車(chē)廂下的 緩沖彈簧 、 聯(lián)軸器 中的吸振彈簧等。 3）儲(chǔ)存及輸出能量作為動(dòng)力，如 鐘表 彈簧、 槍械 中的彈簧等。 4）用作測(cè)力元件，如測(cè)力器、彈簧秤中的彈簧等。彈簧的載荷與變形之比稱(chēng)為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。 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，把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能，而卸載后彈簧的變形消失并回復(fù)原狀，將變形能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功或 動(dòng)能 。 1）測(cè)量功能 我們知 道，在 彈性限度 內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)（或收縮）跟外力成正比。利用彈簧這一性質(zhì)制成彈簧秤。 2）緊壓功能 觀察各種電器開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)的兩個(gè)觸頭中，必然有一個(gè)出頭裝有彈簧，以保證兩個(gè)出頭緊密接觸，是導(dǎo)通良好。如果接觸不良，接觸處的電阻變大，電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量變大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)是接觸處的金屬融化。卡口燈頭的兩個(gè)金屬柱都裝有彈簧也是為了接觸良好；至于螺口燈頭的中心金屬片以及所有插座的接插金屬片都是簧片，其功能都是使雙 方緊密接觸，以保持到同良好。在何時(shí)磁帶中，有一塊磷青銅的簧片，利用它彎曲形變時(shí)產(chǎn)生的 彈力 使磁頭與磁帶密切接觸。在訂書(shū)機(jī)中有一個(gè)長(zhǎng)螺旋彈簧它的作用一方面是頂緊釘書(shū)釘，另一方面是當(dāng)最前面的釘被推出后，可以將后面的釘送到最前面以備釘舒適推 13 出，這樣，就能自動(dòng)的將一個(gè)個(gè)釘推到最前面，直到釘全部推出為止。許多機(jī)器自動(dòng)供料， 自動(dòng)步槍 中的子彈自動(dòng)上膛都靠彈簧的這種功能。此外，象夾衣服的 夾子 ， 圓珠筆 ， 鋼筆 套上的夾片都利用彈簧的緊壓功能夾在衣服上。 3）復(fù)位功能 彈簧在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后，彈簧就能恢復(fù)狀 態(tài)。很多工具和設(shè)備都是利用彈簧這一性質(zhì)來(lái)復(fù)位的。例如，許多建筑物大門(mén)的 合頁(yè) 上都裝了復(fù)位彈簧人們進(jìn)出后，門(mén)會(huì)自動(dòng)復(fù)位。人們還利用這一功能制成了自動(dòng)傘、自動(dòng)鉛筆 等用品，十分方便。此外，各種按鈕和按鍵也少不了復(fù)位彈簧。 4）帶動(dòng)功能 機(jī)械鐘表，發(fā)條玩具都是靠上緊發(fā)條帶動(dòng)。當(dāng)發(fā)條被上緊時(shí)發(fā)條產(chǎn)生彎曲形變 ，存儲(chǔ)一定的 彈性勢(shì)能 。釋放后，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在玩具槍和 發(fā)令槍 和軍用槍支也是利用彈簧的之一性質(zhì)工作的。 5）緩沖功能 在機(jī)車(chē) 汽車(chē) 車(chē)架與車(chē)輪之間裝有彈簧，利用彈簧的彈性來(lái)減 緩車(chē)輛的顛簸。 6）振動(dòng)發(fā)聲功能 當(dāng)空氣從口琴，手風(fēng)琴中的簧 孔中 流動(dòng)時(shí)，沖擊簧片，簧片震動(dòng)發(fā)出聲音。 14 4 彈簧材料 熱軋成形的彈簧用鋼 用于制造彈簧的鋼，其交貨狀態(tài)有熱軋和冷軋兩種。熱軋材料中包括圓鋼、扁鋼、鋼板和梯形鋼等。其規(guī)格和尺寸公差較大，表面質(zhì)量較差，它們主要是用電爐或轉(zhuǎn)爐熔煉后經(jīng)熱軋或鍛造成形，并以退火狀態(tài)供應(yīng)，在以后制造彈簧的過(guò)程中，往往不再進(jìn)行任何加工就直接加熱卷繞。由于鋼材表面狀態(tài)的好壞 對(duì)彈簧的性能有直接的影響，鋼材表面如有缺陷就會(huì)增加彈簧表面的粗糙度，也易于形成表面裂紋，特別是在彈簧成形和以后的淬火回火熱處理工序都需要依靠加熱來(lái)完成，這也容易造成表面脫碳，從而使彈簧的疲勞強(qiáng)度下降，因此熱軋材料只能用于疲勞性能要求不高的低 應(yīng)力彈簧夕或是截面尺寸較大的重型彈簧，例如鐵道車(chē)輛和汽車(chē)、拖拉機(jī)上的大型螺旋彈簧，重型板彈簧等。 這是價(jià)格最廉也是最易得到的彈簧鋼，其表面質(zhì)量不比合金鋼差。人們對(duì)碳素鋼的熱處理方法較熟悉，其中共析成分的碳素鋼，如日本的 SUP3，即使進(jìn)行普通的正火、退火也幾乎不會(huì)出現(xiàn)初生的鐵素體。但是它的缺點(diǎn)是淬透性較差，當(dāng)圓鋼的截面直徑超過(guò) 18mm 或板材厚度超過(guò) 11mm 時(shí)在油中就不能悴透，因此不宜用在大截面的彈簧上，通常只有在鐵路車(chē)輛中 13 毫米以下的板彈簧才用它。過(guò)共析成分的碳素鋼，如日本的 SUP4 或美國(guó)的 AISI1095，性能雖較 SUP3為好，但也只用于鐵道車(chē)輛中直徑在 19 毫米以下的螺旋彈簧。其熱卷工藝是加 熱到 870℃盤(pán)卷后空冷，然后在 845℃保溫 20~40min 淬入油溫小于 650℃的油中，不待其完全冷透，在彈簧仍具 90~150℃溫度時(shí)，立即進(jìn)行 450~510℃、 1~回火。 常用的為 65Mn，其淬透性較碳素鋼好，脫碳傾向也小，但是它有過(guò)熱敏感性和回火脆性等缺點(diǎn)，又易產(chǎn)生裂紋，因此國(guó)外已不采用，國(guó)內(nèi)因其資源豐富，價(jià)格便宜，故仍列入彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)中，一般多用于截面直徑尺寸小于 15mm 的中小 15 型低應(yīng)力彈簧。 在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有五種鋼號(hào)，即 55Si2Mn、 55Si2MnB、 60Si2Mn、 60Si2MnA 和70Si3MnA。日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)中列有 SUP6 和 SUP7 兩種。美國(guó)有 SAE9260 和 9255 兩種。其所以要添加硅錳兩種元素是因?yàn)楣枘芄倘苡阼F素體和奧氏體中，從而提高了鋼的硬度、強(qiáng)度、彈性極限、屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還能提高材料的回火穩(wěn)定性和抗氧化性 。錳能提高材料的淬透性，使 25mm 以下的彈簧都能在油中淬透。試驗(yàn)表明在含碳量 ～ %的鋼中，加入 2%的硅和適量的錳， 經(jīng)淬火回火后，屈強(qiáng)比可提高到 以上，彈性極限也大為提高。但是硅含量提高了以后，易產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象和增加表面脫碳傾向，同時(shí)在鋼中易生成較多的硅酸鹽夾雜物，易淬火開(kāi)裂，因而在日本和美國(guó)己用得不多，在我國(guó)主要用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)、鐵道車(chē)輛上的板彈簧，扭桿彈簧、螺旋彈簧，以及工作溫度在250℃以下的中等應(yīng)力的彈簧。 是在鋼中加入 1%的鉻和錳，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有 50CrMn 鋼一種。日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)中有 SUP9 和 SUP9A 兩種，是在第二次世界大戰(zhàn)后研制成功的低合金彈簧鋼，它具有良好的熱加工性和淬透性，即使 其直徑達(dá) 50mm 也能淬透，由于鉻的加入，使鋼的強(qiáng)度和硬度都有所提高，同時(shí)還提高了它的回火穩(wěn)定性和減少脫碳傾向，缺點(diǎn)是有回火脆性的傾向，因此回火后需快冷。這類(lèi)鋼適宜用于制造鐵路車(chē)輛和汽車(chē)的截面較大和較重要的板彈簧、扭桿彈簧和螺旋彈簧。 屬于這類(lèi)鋼的有 60Si2CrA 和 60Si2CrVA，它是以 1%鉻代替了硅錳鋼中的一部分的錳，因而機(jī)械性能較高，過(guò)熱敏感性降低，在工作溫度較高時(shí)機(jī)械性能較穩(wěn)定，還能降低含硅鋼的石墨化傾向。它主要用于承受高應(yīng)力或受沖擊載荷的彈簧和工作溫度在 250~300℃的耐熱彈簧 。 是在硅錳鋼 60Si2MnA中加入了 ~%的鎢，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有 60Si2MnWA，國(guó)外還沒(méi)有相應(yīng)的牌號(hào)，由于鎢在鋼中易形成難溶碳化物，從而有效地提高了鋼的回火穩(wěn)定性和高溫時(shí)的蠕變抗力，使鋼具有一定的紅硬性。鎢還能增加淬 16 透性和提高鋼的硬度 。它主要用于承受高載荷或耐沖擊的彈簧，以及工作溫度低于 350℃的彈簧。 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中列有 30W4Cr2VA,由于加入了鉻、鎢、釩等合金元素，大大提高了鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，以及在高溫下的抗松弛性能，因而主要用于溫度≤ 500℃工作的彈簧。 是適應(yīng)我國(guó)國(guó)內(nèi)資源自行研制成功的合金彈簧鋼，它是在硅錳彈簧鋼的基礎(chǔ)上加入了微量的鉬、釩、妮、硼等元素，屬于這類(lèi)鋼的有 55SiMnVB、 55SiMnMoV和石 50SiMnMoVNB 三種，由于這些微量元素的作用，使這三種鋼都有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性極限，而且有良好的塑性和韌性，因此適宜作高強(qiáng)度的板彈簧和螺旋彈簧。 它是在鉻錳鋼的基礎(chǔ)上加入微量的硼，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)的牌號(hào)，日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)中列有 SUP11，它的基本性能和鉻錳鋼相似，但具有更好的淬透性，通常用于制造超大型 的彈簧，例如推土機(jī)上的迭板彈簧，船舶上的大型螺旋彈簧和大型扭力彈簧等。 除了上述通常采用的碳素鋼和低合金鋼外，某些工具鋼有時(shí)也能用作為彈簧鋼，但在國(guó)外都沒(méi)有將這些列入彈簧鋼系列中。例如工具中用得最廣的 1841高速鋼就是用得較普遍的一種高溫彈簧鋼材，通常用于工作溫度在 415℃以下的彈簧。但是作為彈簧鋼有些數(shù)據(jù)如彈性極限值還不夠完整，可它至少相等于或略高于通常所用的鉻釩鋼和鉻硅鋼，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用鉻硅鋼的數(shù)據(jù)，其熱處理工藝和制作工具時(shí)不同，可以采用緩慢加熱至 850℃均熱后轉(zhuǎn)入1280~1310℃的高溫爐內(nèi)，然后油淬至 100℃左右立即在 650~675℃回火 1~2h,這樣可獲得 HRC50~54 的硬度。此外如油硬碳素工具鋼有時(shí)也可用來(lái)制造彈簧。這類(lèi)鋼在 780℃淬火， 360℃回火后可得到 HRC50~54 的硬度。對(duì)于長(zhǎng)期暴露在氧化性氣氛中并在高溫環(huán)境下工作的彈簧，日本采用 SEHI 鋼，其化學(xué)成分為~%C， 3~%Si 和 %Cr，相當(dāng)于我國(guó)的 4Cr9Si2 鋼。 17 冷軋彈簧用鋼 主要是依靠冷拉或冷軋而得到尺寸精度高、表面質(zhì)量好和機(jī)械性能好的線(xiàn)材或帶鋼。螺旋彈簧大多 是用線(xiàn)材盤(pán)卷而成。屬于這類(lèi)鋼材的有高碳彈簧鋼、合金彈簧鋼和不銹鋼等，以高碳彈簧鋼用得最普遍。其供貨狀態(tài)一般有下列三種類(lèi)型 : 1）以退火或高溫回火狀態(tài)供應(yīng)。這類(lèi)材料在冷卷成形后，尚需進(jìn)行淬火回火處理，如合金彈簧鋼絲、不銹鋼絲和冷軋鋼帶等。 2）在成形過(guò)程中經(jīng)過(guò)強(qiáng)化加工的絲材和帶材。這類(lèi)材料在冷卷成型后只需進(jìn)行除應(yīng)力處理，不必再進(jìn)行淬火。如冷拉碳素鋼絲、琴鋼絲、油回火彈簧鋼絲和冷軋不銹鋼帶等。 3）直徑大于 13mm 的冷拉圓鋼，表面質(zhì)量較高，需經(jīng)熱卷成型和淬火回火處理，如冷拉彈簧鋼絲等。 彈簧鋼 在這類(lèi)鋼中除了高碳鋼外，也包括高碳錳鋼在內(nèi)，它是用得最多的一種冷卷彈簧鋼，其特點(diǎn)是含碳量高、冷塑性變形程度高、加工