圆柱螺旋弹簧的结构制造材料及许用应力

圆柱螺旋弹簧的结构制造

材料及许用应力

The latest revision on November 22, 2020

圆柱螺旋弹簧的结构、制造、材料及许用应力

(一) 圆柱螺旋弹簧的结构形式

1. 圆柱螺旋压缩弹簧

如下左图所示，弹簧的节距为p,在自由状态下，各圈之间应有适当的间距δ，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保留一定的间距δ1。δ1的大小一般推荐为: δ1=≥

式中d为弹簧丝的直径。

圆柱螺旋压缩弹簧

圆柱螺旋压缩弹簧的端面圈

弹簧的两个端面圈应与邻圈并紧(无间隙)，只起支承作用，不参与变形，故称为死圈。当弹簧的工作圈数n≤7时，弹簧每端的死圈约为圈；n>7时，每端的死圈约为1～圈。这种弹簧端部的结构有多种形式(上右图)最常用的有两个端面圈均与邻圈并紧且磨平的YI型(图a)、并紧不磨平的YIII型(图c)和加热卷绕时弹簧丝两端锻扁且与邻圈并紧(端面圈可磨平，也可不磨平)的YII型(图b) 三种。在重要的场合，应采用YI型，以保证两支承端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。弹簧丝直径d≤时，弹簧

的两支承端面可不必磨平。d>的弹簧，两支承端面则需磨平。磨平部分应不少于圆周长的3/4。端头厚度一般不小于d/8，端面粗糙度应低于。

2．圆柱螺旋拉伸弹簧

如下左图所示，圆柱螺旋拉伸弹簧空载时，各圈应相互并拢。另外，为了节省轴向工作空间，并保证弹簧在空载时各圈相互压紧，常在卷绕的过程中，同时使弹簧丝绕其本身的轴线产生扭转。这样制成的弹簧，各圈相互间即具有一定的压紧力，弹簧丝中也产生了一定的顶应力，故称为有预应力的拉伸弹簧。这种弹簧一定要在外加的拉力大于初拉力P0后，各圈才开始分离，故可较无预应力的拉伸弹簧节省轴向的工作空间。拉伸弹簧的端部制有挂钩，以便安装和加载。挂钩的形式如下右图所示。其中LI型和LII型制造方便，应用很广。但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径d≤l0mm的弹簧中。LVII、LVIII型挂钩不与弹簧丝联成一体，故无前述过渡处的缺点，而且这种挂钩可以转到任意方向，便于安装。在受力较大的场合，最好采用LVII型挂钩，但它的价格较贵。

圆柱螺旋拉伸弹簧

圆柱螺旋拉伸弹簧挂钩的形式[OT_page]

(二) 制造

螺旋弹簧的制造工艺包括：a)卷制；b)挂钩的制作或端面圈的精加工；c)热处理；d)工艺试验及强压处理。（强压处理是使弹簧在极限载荷作用下持续6～48h，以便在弹簧丝截面的危险区产生塑性变形和残余应力，从而提高弹簧的静载强度。用于长期振动，高温和腐蚀性介质中的弹簧，以及一般用途的弹簧不应进行强压处理。）

卷制是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万能自动卷簧机上卷制；单件及小批生产时，则在普通车床或手动卷绕机上卷制。

卷制分冷卷及热卷两种。冷卷用于经预先热处理后拉成的直径 d<(8～10)mm的弹簧丝；直径较大的弹簧丝制作的强力弹簧则用热卷。热卷时的温度随弹簧丝的粗细在800～1 000℃的范围内选择。不论采用冷卷或热卷，卷制后均应视具体情况对弹簧的节距作必要的调整。

对于重要的压缩弹簧，为了保证两端的承压面与其轴线垂直，应将端面圈在专用的磨床上磨平；对于拉伸及扭转弹簧，为了便于联接、固着及加载，两端应制有挂钩或杆臂(参看上图<圆柱螺旋拉伸弹簧挂钩的形式>及右图)。

扭转螺旋弹簧

弹簧在完成上述工序后，均应进行热处理。热处理后的弹簧表面不应出现显着的脱碳层。冷卷后的弹簧只作回火处理，以消除卷制时产生的内应力。

此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。要特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况，所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击性能。因此脱碳层深度和其它表面缺陷应在验收弹簧的技术条件中详细规定。重要的弹簧还须进行表面保护处理(如镀锌)；普通的弹簧一般除以油或漆。

(三) 弹簧的材料及许用应力

为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。

常用弹簧钢主要有下列几种：

碳素弹簧钢

这种弹簧钢的忧点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，且不能在高于120℃的温度下正常工作。

低锰弹簧钢(例如65Mn)

这种弹簧钢与碳素弹簧钢相比，优点是淬透性较好和强度较高；缺点是淬火后容易产生裂纹及热脆性。但由于价格便宜，所以一般机械上常用的尺寸不大的弹簧可以用此种材料制造，例如离合器弹簧等。

硅锰弹簧钢(例如60Si2MnA)

这种钢中因加入了硅，故可显着地提高弹性极限，并提高了回火稳定性，因而可在更高的温度下回火，从而得到良好的力学性能。但含硅量高时，表面易于脱碳。由于锰的脱碳性小，故在钢中加入硅锰这两种元素，就是为了发挥各自的优点，并减少彼此的缺点，因此硅锰弹簧钢在工业中得到了广泛的应用。一般用于制造汽车、拖拉机的螺旋弹簧。

50铬钒钢(例如50CrVA)

钢中加入钒的目的是细化组织，提高钢的强度和韧性，故这种材料是耐疲劳和抗冲击性能良好的弹簧钢。它有良好的力学性能，并能在-40～350℃的温度下工作，但价格较贵。航空发动机调节系统中的弹簧多采用此种材料，如柱塞油泵的柱塞弹簧等。

此外，某些不锈钢和青铜等材料，具有耐腐蚀的特点，青铜还具有防磁性和导电性，故常用于制造化工设备中或工作于腐蚀性介质中的弹簧。其缺点是不容易热处理，力学性能较差，在一般机械中很少采用。

在选择材料时，应考虑到弹簧的用途、重要程度、使用条件(包括载荷性质、大小及循环特性，工作持续时间，工作温度和周围介质情况等)，以及加工、热处理和经济性等因素。同时，也要参照现有设备中使用的弹簧，选择出较为合用的材料。

弹簧材料的许用扭转切应力[τ]和许用弯曲应力[σ]b的大小和载荷性质有关，静载荷时的[τ]或[σ]b较变载荷时的大。表<弹簧常用材料及其许用应力>中推荐的几种常用材料及其[τ]和[σ]b值，可供设计时参考。碳素弹簧钢丝拉伸强度极限σB值按表<弹簧钢丝的拉伸强度极限σB>选取。