影响弹簧疲劳强度的几个因素

影响弹簧疲劳强度的几个因素

阅读：2748人次更新时间：2011-5-23 9:09:19

1．屈服强度材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系，一般来说，材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高，因此，为了提高弹簧的疲劳强度应设法提高弹簧材料的屈服强度，或采用屈服强度和抗拉强度比值高的材料。对同一材料来说，细晶粒组织比粗细晶粒组织具有更高的屈服强度。

2．表面状态最大应力多发生在弹簧材料的表层，所以弹簧的表面质量对疲劳强度的影响很大。弹簧材料在轧制、拉拔和卷制过程中造成的裂纹、疵点和伤痕等缺陷往往是造成弹簧疲劳断裂的原因。

材料表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度也愈高。材料表面粗糙度对疲劳极限的影响。随着表面粗糙度的增加，疲劳极限下降。在同一粗糙度的情况下，不同的钢种及不同的卷制方法其疲劳极限降低程度也不同，如冷卷弹簧降低程度就比热卷弹簧小。因为钢制热卷弹簧及其热处理加热时，由于氧化使弹簧材料表面变粗糙和产生脱碳现象，这样就降低了弹簧的疲劳强度。

对材料表面进行磨削、强压、抛丸和滚压等。都可以提高弹簧的疲劳强度。

3．尺寸效应材料的尺寸愈大，由于各种冷加工和热加工工艺所造成的缺陷可能性愈高，产生表面缺陷的可能性也越大，这些原因都会导致疲劳性能下降。因此在计算弹簧的疲劳强度时要考虑尺寸效应的影响。

4．冶金缺陷冶金缺陷是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏析，等等。存在于表面的夹杂物是应力集中源，会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹。采用真空冶炼、真空浇注等措施，可以大大提高钢材的质量。

5．腐蚀介质弹簧在腐蚀介质中工作时，由于表面产生点蚀或表面晶界被腐蚀而成为疲劳源，在变应力作用下就会逐步扩展而导致断裂。例如在淡水中工作的弹簧钢，疲劳极限仅为空气中的10%~25%。腐蚀对弹簧疲劳强度的影响，不仅与弹簧受变载荷的作用次数有关，而且与工作寿命有关。所以设计计算受腐蚀影响的弹簧时，应将工作寿命考虑进去。

在腐蚀条件下工作的弹簧，为了保证其疲劳强度，可采用抗腐蚀性能高的材料，如不锈钢、非铁金属，或者表面加保护层，如镀层、氧化、喷塑、涂漆等。实践表明镀镉可以大大提高弹簧的疲劳极限。

6．温度碳钢的疲劳强度，从室温到120℃时下降，从120℃到350℃又上升，温度高于350℃以后又下降，在高温时没有疲劳极限。在高温条件下工作的弹簧，要考虑采用耐热钢。在低于室温的条件下，钢的疲劳极限有所增加。

有关以上这些影响疲劳强度因素的具体数值，参看有关资料。

弹簧的强化工艺技术

阅读：2491人次更新时间：2011-5-23 9:07:26

（1）弹簧的热处理强化工艺技术

1）保护气氛热处理。在我国，线材小于 15mm的弹簧、油淬火回火钢丝及韧化处理钢的热处理都采用了保护气氛热处理。保护气氛热处理能够消除表面脱碳和氧化，提高材料的表面质量。

2）感应加热或保护气氛感应加热热处理。这项工艺一般在螺旋弹簧成形前的线材上进行，有些弹簧工

厂把线材料热处理和弹簧制作放在一起以降低成本。感应加热处理具有较好的强化效果，感应加热速度快，有助细化晶粒和减少表面脱碳，可以充分发挥和提高材料的强度和韧性。

3）表面氮化热处理工艺技术。近年来，高应力气门弹簧或其他高应力离合器弹簧为了达到可靠的疲劳

寿命，也采用表面氮化工艺技术，现在比较先进的工艺是低温气体氮化技术，一般氮化温度为（450～470）℃，气体氮化时间为（5～20）h。

（2）弹簧的喷丸强化工艺

1）组合喷丸工艺技术。组合喷丸，一般也称多次喷丸工艺。大多数经济的工艺是采用二次喷丸。通过

采用不同直径的丸粒喷丸来实现。第一次采用较大丸粒来获得残余压应力和表面光洁度。

2）应力喷丸工艺。应力喷丸工艺也是一项比较经典的喷丸工艺，只是因为难以应用于大批量生产，但

近年来由于应力喷丸设备的快速发展，在高应力汽车悬架弹簧大批量生产中得到了较大发展。特别是应力

强化喷丸与其他喷丸工艺的组合应用具有很好的强化效果。应力喷丸的预应力一般设定在（700～800）MPa，经应力抛丸后，残余应力的峰值可以达到（1200～1500）MPa，从而得到高的抗疲劳强度。

（3）弹簧的热强压工艺热强压工艺主要应用在要求高的抗永久变形量的螺旋弹簧上，是作为高级的

防永久变形的稳定化处理工艺。热强压工艺除可以显着提高抗永久变形外，还可以提高疲劳寿命。

拉簧、压簧的设计方法

阅读：3179人次更新时间：2009-12-23 8:57:54

弹簧设计的任务是要确定弹簧丝直径d、工作圈数n以及其它几何尺寸，使得能满足强度约束、刚度约束及稳定性约束条件，进一步地还要求相应的设计指标(如体积、重量、振动稳定性等)达到最好。

具体设计步骤为：先根据工作条件、要求等，试选弹簧材料、弹簧指数C。由于sb与d有关，所以往往还要事先假定弹簧丝的直径d。接下来计算d、n的值及相应的其它几何尺寸，如果所得结果与设计条件不符合，以上过程要重复进行。直到求得满足所有约束条件的解即为本问题的一个可行方案。实际问题中，可行方案是不唯一的，往往需要从多个可行方案中求得较优解。

例12-1设计一圆柱形螺旋压缩弹簧，簧丝剖面为圆形。已知最小载荷Fmin=200N，最大载荷Fmax=500N，工作行程h=10mm，弹簧Ⅱ类工作，要求弹簧外径不超过28mm，端部并紧磨平。

解：

试算(一)：

(1)选择弹簧材料和许用应力。选用C级碳素弹簧钢丝。

根据外径要求，初选C=7，由C=D2/d=(D-d)/d得d=3.5mm，由表1查得sb=1570MPa，由表2知：[t]=0.41sb=644MPa。

(2) 计算弹簧丝直径d

由式得K=1.21

由式得d≥4.1mm

由此可知，d=3.5mm的初算值不满足强度约束条件，应重新计算。

试算(二)：

(1) 选择弹簧材料同上。为取得较大的I>d值，选C=5.3。

仍由C=(D-d)/d，得d=4.4mm。

查表1得sb=1520MPa，由表2知[t]=0.41sb=623MPa。

(2) 计算弹簧丝直径d

由式得K=1.29

由式得d≥3.7mm。

可知：I>d=4.4mm满足强度约束条件。

(3) 计算有效工作圈数n

由图1确定变形量λmax：λmax=16.7mm。

查表2，G=79000N/mm2，

由式得n=9.75

取n=10，考虑两端各并紧一圈，则总圈数n1=n+2=12。至此，得到了一个满足强度与刚度约束条件的可行方案，但考虑进一步减少弹簧外形尺寸与重量，再次进行试算。

试算(三)：

(1)仍选以上弹簧材料，取C=6，求得K=1.253，d=4mm，查表1，得sb=1520MPa，[t]=0.41sb=623MPa。

(2) 计算弹簧丝直径。得d≥3.91mm。知d=4mm满足强度条件。

(3)计算有效工作圈数n。由试算(二)知，λmax=16.7mm，G=79000N/mm2

由式得n=6.11

取n=6.5圈，仍参考两端各并紧一圈，n1=n+2=8.5。