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弹簧类型、结构及材料认识
1. 弹簧的功用
弹簧在机械中作为弹性元件，主要功用有：
1）控制机构的运动或零件的位置，如凸轮机构、离合器、阀门以及各种调速器中的弹簧；
2）缓冲及吸振，如车辆底板弹簧（图8-12a）、各种缓冲器及弹性联轴器中的弹簧；
3）储存能量作为动力源，如钟表、仪器中使用的弹簧发条；
4）测量载荷大小，如弹簧秤中的弹簧（图8-12b）。
图8-12 弹簧的应用
a）缓冲弹簧 b）弹簧秤
2. 弹簧的种类
弹簧的种类很多，从外形分，有螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧和平面涡卷弹簧等。螺旋弹簧按其形状又可分为：圆柱形螺旋弹簧和圆锥形螺旋弹簧等。
从其受载荷的性质分，有压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧、弯曲弹簧等。常用弹簧的主要类型和特点见表8-2。
表8-2 弹簧的主要类型和特点
| 类型 | 承载形式 | 简图 | 特点及应用 | |
| 螺旋弹簧 | 圆柱体 | 压缩 |
| 刚度稳定，结构简单，制造方便。应用范围最广，适用于各种机械 |
| 拉伸 |
| |||
| 扭转 |
| 主要用于各种装置中的压紧和储能 | ||
| 螺旋弹簧 | 圆锥形 | 压缩 |
| 稳定性好，结构紧凑，刚度随载荷而变化，多用于需承受较大载荷和减振的场合 |
| 碟形弹簧 | 压缩 |
| 刚度大，缓冲吸振能力强，适用于载荷很大而弹簧轴向尺寸受限制的地方。具有变刚度的特性 | |
| 环形弹簧 | 压缩 |
| 能吸收较多能量，有很高的缓冲和吸振能力，用于重型设备的缓冲装置 | |
| 平面涡卷弹簧 | 扭转 |
| 变形角大，能储存的能量大，轴向尺寸很小，多用作仪器、钟表中的储能弹簧 | |
| 板弹簧 | 弯曲 |
| 缓冲和减振性能好，多板弹簧减振能力强。主要用于汽车、拖拉机、火车车辆的悬挂装置 | |
另外按承受载荷的循环次数N的不同，弹簧还可分为三类：Ⅰ类弹簧（N＞106次的弹簧），如内燃机气门弹簧、电磁制动器弹簧；Ⅱ类弹簧（N=103～105次和受冲击的弹簧），如调速器弹簧、安全阀弹簧、一般车辆弹簧；Ⅲ类弹簧（N＜103和受静载荷的一般弹簧＝，如摩擦式安全离合器弹簧等。
3. 弹簧的材料
弹簧在机械中常承受具有冲击性的载荷，所以弹簧材料应具有高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能等。常用的材料有优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金。
1) 碳素弹簧钢 含碳量在0.6﹪~0.9﹪之间，如65、70、85等碳素弹簧钢。这类钢价廉，热处理后具有较高的强度、适宜的韧性和塑性。国家标准GB/T 4357-2009规定：碳素弹簧钢按抗拉强度分为低抗拉强度、中抗拉强度、高抗拉强度，分别用符号L、M、H代表，按照弹簧载荷特点分为静载荷和动载荷，分别用S和D代表。弹簧的类型代码由载荷分类代码和抗拉强度等级代码组成，有SL、SM、SH.DM、DH等类型，对应不同类型的直径范围和强度不同，碳素弹簧钢的抗拉强度要求见表8-3。
2) 合金弹簧钢 承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧，需采有合金弹簧钢，常用的有硅锰钢和铬矾钢等。
3) 有色金属合金 在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧，宜采用有色金属弹簧钢，常用的有硅青铜、锡青铜、铍青铜等。
弹簧也可用非金属材料橡胶、塑料、软木或空气制成，如弹性套柱销联轴器中的弹性套是用橡胶制成的。
常用弹簧材料的性能列于表8-4中。
选择弹簧材料时应充分考虑弹簧的工作条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素弹簧钢丝。
表8-3 碳素弹簧钢丝的抗拉强度要求 （单位： MPa）
| 钢丝直径 | 等级 | ||||
| SL型 | SM型 | SH型 | DM型 | DH型 | |
| 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.25 2.5 2.8 3.0 3.2 3.6 4.0 4.5 5.0 5.6 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 | 1720~1970 1670~1910 1620~1860 1590~1820 1550~1780 1520~1750 1490~1710 1460~1680 1420~1640 1410~1620 1390~1600 1350~1560 1320~1520 1290~1490 1260~1450 1230~1420 1210~1390 1160~1340 1120~1300 1090~1260 1060~1230 - - - | 1980~2220 1920~2160 1870~2100 1830~2050 1790~2010 1760~1970 1720~1930 1690~1890 1650~1850 1630~1830 1610~1810 1570~1760 1530~1730 1500~1680 1460~1650 1430~1610 1400~1580 1350~1550 1310~1480 1270~1440 1240~1400 1210~1370 1170~1320 1160~1310 | 1980~2220 1920~2160 1870~2100 1830~2050 1790~2100 1760~1970 1720~1930 1690~2150 1650~1890 1630~1850 1610~1830 1570~1810 1530~1760 1500~1680 1460~1650 1430~1610 1400~1580 1380~1550 1310~1480 1270~1440 1240~1400 1210~1370 1170~1320 1160~1310 | 2230~2470 2170~2400 2110~2340 2060~2290 2020~2240 1980~2200 1940~2150 1900~2110 1890~2100 1840~2040 1820~2020 1770~1970 1740~1930 1690~1880 1660~1840 1620~1800 1590~1770 1560~1740 1490~1660 1450~1610 1410~1570 1380~1530 1350~1500 1320~1470 | 2230~2470 2170~2400 2110~2340 2060~2290 2020~2240 1980~2200 1940~2150 1900~2110 1890~2100 1840~2040 1820~2020 1770~1970 1740~1930 1690~1880 1660~1840 1620~1800 1590~1770 1560~1740 1490~1660 1450~1610 1410~1570 1380~1530 1350~1500 1320~1470 |
表8-4 螺旋弹簧的常用材料和许用应力
| 材料 | 许用切应力[τ]/MPa | 推荐使用温度/0C | 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 | SL、SM、SH等级 | 0.3 Rb | 0.4 Rb | 0.5 Rb | -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 | 60Si2Mn | 480 | 640 | 800 | -40~200 | 45~50HRC | 弹性和回火稳定性好，但易于脱碳，适用于制造受重载的大弹簧 |
| 50CrVA | 450 | 600 | 750 | -40~210 | 有较高的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于制造受变载荷的弹簧 | ||
| 60Si2CrVA | 570 | 760 | 950 | 45~50 | 47~52HRC | 强度高，弹性好，耐高温，适用于承受重载荷的弹簧 | |
| 不锈钢丝 | 4Cr13 | 450 | 600 | 750 | -40~300 | 48~53HRC | 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 | 90~100HBS | 耐腐蚀,防磁，适用于机械或仪表中的弹簧 |
| QSn4-3 | 270 | 360 | 450 | ||||
书籍是横渡时间大海的航船！
