弹簧制造工艺

第五讲:弹簧结构分析与制造工艺 （第四章：弹簧制造工艺）

2014-8-3，上海讲座用

第一节：概述 一:弹簧在电器产品中的应用

电器中常用的弹簧有：

※：螺旋弹簧：（1：压缩弹簧;2：垃伸弹簧;3：扭转弹簧；4：片黄）

1：压缩弹簧：

在交流直动式接触器中常常采用压缩弹簧－主要是触头压缩弹簧和铁心反力弹簧。如下特性。

电器的负载特性（机械特性）是电器的重要特性之一。作用在衔铁上的机械力和衔铁行程关系特性P 或F ＝()f δ称为机械特性，也称反力特性。

弹性元件（螺旋弹簧和簧片）构成。

弹簧构成电磁电器机械特性(反力特性)如图所示

此特性是由作用于衔铁的机械力和作用于触头的压力组合而成的特性. 在断路器上，触头也是采用压缩弹簧，如下所示

：

2：垃伸弹簧 在断路器四连杆机构多数采用，拉伸弹簧：

在直流接触器中的衔铁反力弹簧是拉伸弹簧。 3：扭转弹簧：

脱扣器上采用的扭簧。

4：片黄：在继电器中广泛采用。

从上述情况看，弹簧成为我们电器中一个十分重要的零件。它的质量直接影响我们各种电器的性能。

二:弹簧的基本性能

弹簧的基本性能是在载荷作用下产生形变，卸载时释放能量恢复原形；加载变形过程遵循一定的规律。

1：弹簧的特性线：

其特性就是：载荷P(M ）与变形F (ϕ)之间的关系曲线成为弹簧的特性线，如图4-1所示。弹簧的特性线大致有三种类型：①直线型；②渐增型；③渐减型。

C

d

a

b 触头弹簧 动触头 弧角

转轴

静触头 α

有些弹簧的特性线是上述两种或三种的组合（图4-2），称为组合型特性线。如压缩弹簧的特性线（图4-2a ）在开始加载时为渐减型，当变形在整个工作区间的30%～70%时为直线性,在最后的30%时为渐增型.又如圆锥弹簧的特性线(图4-2c),加载开始为直线,到一定程度后,变为渐增型;蝶形弹簧的特性线(图4-2b)开始为渐减型,后为渐增型,整个特性线呈S 形;图4-2d 是两个不同高度压缩弹簧组合的特性线,加载开始只有一个弹簧承受载荷,当加载到一定程度时,第二个弹簧也开始承受载荷,特性线成为两个弹簧的特性线,因而其斜率发生了改变.拉伸弹簧的特性线基本上是一条直线,由于其线性好,故广泛用于电器元件和计量器具中.

图2 组合型特性

a)压缩弹簧特性曲线,b)碟形弹簧特性c)圆锥弹簧特性d)两个压缩弹簧组合特性曲线

2.弹簧刚度（有两种表述方法）

弹簧所受载荷P 与变形量F 之比,即产生单位变形量所需荷载称为弹簧刚度.

对于压缩和拉伸弹簧的刚度为

f P P

=' (4-1a) 式中'P ── 压缩和拉伸弹簧刚度(mm N /);

P ── 弹簧所受负荷力(N);

f ── 弹簧的变形量(mm).

对于扭转弹簧的刚度为

ϕM M

=' (4-2a) 式中'M ── 扭转弹簧的刚度(cm N /);

M ── 扭转弹簧的扭矩(cm N ⋅);

ϕ── 扭转弹簧的扭转角.

特性线为渐增型弹簧,其刚度随着载荷的增加而增大;渐减型弹簧,其刚度随着载荷的增加而减小.而对于直线型弹簧,其刚度不随载荷变化而变化,即

常数==F

P P '

或: 3'8nc Gd y P F P P === 38Pc

y Gd n ⋅= (4-1b) 常数==ϕM

M ' (4-2b)

因此,对于具有直线型特性线的弹簧,其刚度也称为弹簧常数.

弹簧的特性线对于设计和选用弹簧的类型起着重要的指导作用.设计弹簧时可用分析计算及实验的方法找出它的特性线.但即使是最精确得计算,其结果和实际的数值也总会有一定的差异.这是由于弹簧在制造过程中不可避免的存在工艺差异,所用材料组织也并非绝对均匀之故.因此,在设计弹簧时必须经过反复试验,修改尺寸和参数,使之达到理想的结果.

三:弹簧的分类

弹簧的类型很多，分类方法不一，按其形状和结构可分为以下几种类型。

1:圆柱螺旋弹簧

这类弹簧多数由圆形截面材料制成，但在同样空间条件下需要更大的刚度时，可选用矩形截面材料。此中大致可分为三种类型：

(1):圆柱螺旋压缩弹簧（图4-3）

这种弹簧结构简单，制造方便，特性接近于直线型，刚度值较稳定，（在电器产品中）应用最广，简称为压缩弹簧。

(2):圆柱螺旋拉伸弹簧（图4-4）

这种弹簧性能和特点与压缩弹簧相同。重要承受拉伸载荷，其特性线是直线型。由于有初应力和无初应力的区别，故其特性线起点各异。多数由原形截面材料制成，简称为拉伸弹簧。

（3）:圆柱螺旋扭转弹簧（图4-5）

这种弹簧主要承受扭矩作用，用于压缩、储能及转动系统中，特性线呈直线型。多数由圆形截面材料制成，简称为扭转弹簧。

2.变径螺旋弹簧

包括锥形、双锥形弹簧及不规则变直径弹簧，后者应用较少。

（1）:圆锥形螺旋弹簧（图4-6）

这类弹簧的特点是稳定性较好，结构紧凑。其特性线开始是直线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增形，有利于缓和冲击和共振。

（2）:中凸和中凹形弹簧（即双锥簧）（图4-7）

这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧。中凸形弹簧在某些场合可以代替圆锥弹簧使用；中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。

3:悬臂梁式片状弹簧

这类弹簧由薄片材料制成，结构形状繁多。主要用于仪表及继电器电器元件中。

此外，还有空气弹簧、液压弹簧、橡胶弹簧、弹性触头及扭杆弹簧等。

第二节：弹簧材料

一:弹簧性能对材料的要求

弹簧主要在动载荷作用下工作，要求材料具有高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限及疲劳极限，同时还要求具有高的冲击韧性和塑性。在特殊条件下还要求其材料具有耐热、防腐、导电、防磁、耐低温等性能。

金属材料在高温、长期载荷作用下，其内部组织结构也会发生不同程度的变化。因此，在高温条件下工作的弹簧，其材料应具有足够的热稳定性能。

在低温下，一般金属材料的抗拉极限、弹性极限均随温度下降而增大，冲击韧性和塑性减小，变的冷脆。在低温下工作的弹簧要选用具有稳定的低温性能和良好的低温韧性的材料。

在腐蚀介质中工作的弹簧，由于其表面受腐蚀介质的作用而遭破坏，疲劳寿命将显著下降，因此要求其材料具有较强的抗腐蚀能力。

对于电器中的弹簧要求其具有导电、防磁和恒弹性等性能。