弹簧基础知识培训 (一)

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，把机械功或者动能转

变为变形能（位能），或者把变形能（位能）转变为机械功或者动能。

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。

40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.压井高度：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者固定的圈数。

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者压并高度（拉伸到弹

簧工作极限下的长度，扭转到工作极限扭转角）一次或者多次短暂压缩（拉伸或者扭转）

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存力,

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)

分类名称符号分类名称符号

直线度—平行度

定//

平面度垂直度I

形口向

状真圆度

O倾斜度Z

公

位

差

置

线轮廓度A定同心度

公©

差位

同轴度—

面轮廓度位置度千

跳圆跳动/

动全跳动77

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一一高径比；矩形截面材料平行于弹簧轴线的边长；系数

C一一螺旋弹簧旋绕比；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一一弹性模量(Mpa)

F一一弹簧的载荷(N)

P——弹簧的刚度(N/mm)

Fj——弹簧的工作极限载荷(N)

Fo一—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--弹簧的试脸载荷(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一—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一一惯性矩(mm4)

Ip-----极惯性矩(mm4)

K--曲度系数；系数

Kt一一温度修正系数

k___系数

L-----弹簧材料的展开长度(mm)

I——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(Nomm)

m■■作用于弹簧上物体的质量(kg)

m0--弹簧的质量(kg)

N——变载荷循环次数

n一一弹簧的工作圈数

n2——弹簧的支承圈数

n,------弹簧的总圈数

P'一一弹簧单圈的刚度(N.mm)

R--弹簧圈的中半径(mm)

凡一一弹簧圈的内半径(mm)

R2——弹簧圈的外半径(mm)

…阻尼系数

S——安全系数

T——扭转刚度(Nomm/(°))

t——弹簧的节距

tc-----钢索节距(mm)

U--变形能(Nomm);(N.mm。rad)

V-----弹簧的体积(mm3)

u—冲击体的速度(mm/s)

Zm--抗弯截面系数(mm3)

2t-----抗扭截面系数(mm3)

a一一螺旋角(°)；系数

B-—钢索拧角(°);圆锥半角(°);系数

6—・弹簧圈的轴向间隙(mm)

6r——组合弹簧圈的径向间隙(mm)

C—系数

n—系数

0一-扭杆单位长度的扭转角(rad)

K系数

U——若松比；长度系数

v——弹簧的自振频率(Hz)

vr一—弹簧所受变载荷的激励频率(Hp

p----材料的密度(kg/mm3)

。——弹簧工作时的正应力(MPa)

。b—一材料的抗拉强度(MPa)

。厂•弹簧的工作极限应力(MPa)

。s--材料的抗拉屈服点(MPa)

T--弹簧工作是的切应力(MPa)

Tb-----材料的抗剪强度(MPa)

Tj——弹簧的工作极限切应力(MPa)

To——材料的脉动扭转疲劳极限(MPa)

Ts--材料的抗扭屈服点(MPa)

T-1一一材料的对称循环扭转疲劳极限(MPa)

<P一一扭转变形角(°);(rad)

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，在弹簧的创造中，时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。

第一和类型：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、钢带和铜银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。

1O1弹簧的淬火

弹簧的淬火淬火就是把钢加热到临界温度A”或者Aj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Ac〔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

2o1立定处理对压缩弹簧，是把弹簧缩到工作极限高度或者并紧高度数次，普通

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）处理对玉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。

2o3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=Kof.+（Ho-f.）

强压处理时螺旋压缩弹簧的预制高度H'o=（0.12^0.13）f.+Ho

Ho---------弹簧的自由高度过f.----------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者喷丸强化。它是提高机械零件疲劳寿命的有效方法之一,

在弹簧创造业中广泛应用.

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，而形成为了一

定厚度的表面强化层。从应力状态来看，强化层内形成为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，可发抵消一部份变载荷作用下的

最大拉应力，从而提高弹簧的疲劳强度。从组织结构看，强化层内形成为了密度极高

的位错，在随后的变应力、温度、或者二者同时的作用下，位错逐渐罗列规则，形成多

边形，即强化层内逐渐形成更加弱小的亚晶料（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。

此外，抛丸处量还能清除弹簧表面的疵点（弱小的缺陷、脱碳），减少应力集中等，从

而消除或者减少疲劳源。

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

子的变化或者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.

例如弹簧在特殊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

者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

弹簧与酸性或者盐类溶液接触，这种溶液都是电解质，由于弹簧表面的缺陷或者杂质等

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者水珠，加之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者海洋大气中的盐雾等)溶解于水膜或者水珠中

形成电解质.再加上弹簧金属的杂质或者缺陷亦或者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.但普通来讲化

学腐蚀与电化学腐蚀是同时存在的。

弹簧在创造、存放、使用等过程中，时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

备料一一绕制一一除油•一手工一一热处理一■立定-磨口•一喷丸一一低温回火

(200°C,低于去应力退火的温度,因为避免消除立定或者喷丸产生的效果)一一表面处理

-----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:运用量具或者专用量规按“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者用直尺靠在弹簧表面，测量弹簧与平台或者直尺之间的间隙值

O

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:⑴外观

（2）尺寸及特性要求：按“作业指导书”进行检验.

8o表面处理;包括镀锌（白锌、蓝锌、彩锌、黑锌...）、镀银、挂铭、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（F^F/H^HJ

工作圈数：n=Gd4f/8FD3=GD/8c4F'

节距（收口1N）：（磨口时）t=H0-1o5d/n

（不磨口整圈时）t=Ho—2.5d/n

（不磨口半圈时）t=Ho—2.0d/n

二、圆柱螺旋拉伸弹簧的计算公式:

刚度F'