[科普中国]-螺旋弹簧

历史

螺旋弹簧的发明家严格意义上应该是英国科学家胡克(RobertHooke），虽然那时螺旋压缩弹簧已经出现并广泛使用，但胡克提出了“胡克定律”——弹簧的伸长量与所受的力的大小成正比，正是根据这一原理，1776年，使用螺旋压缩弹簧的弹簧秤问世。

不久，根据这一原理制作的专供钟表使用的弹簧也被胡克本人发明出来。而符合“虎克定律”的弹簧才是真正意义上的弹簧。碟形弹簧是法国人贝勒维尔发明的，是用金属板料或锻压坯料而成的截锥形截面的垫圈式弹簧。在近代工业出现之后，除了碟形弹簧之外还出现了气弹簧、橡胶弹簧、涡卷弹簧、模具弹簧、不锈钢弹簧、空气弹簧、记忆合金弹簧等新型弹簧。

分类1.按工作时受载荷的特性不同，可将螺旋弹簧分为压缩、拉伸和扭转三种；

2.按照结构特点，可分为圆柱螺旋弹簧和变径螺旋弹簧两大类；变径螺旋弹簧主要承受压缩载荷;

3.按其形状特点可分为圆锥形、涡卷形、中凹形和中凸形。

4.在生产和使用上，螺旋弹簧还可按成型方法与材料直径大小不同分为：大型螺旋弹簧和小型螺旋弹簧两类；前者通常是热成形，后者是冷成形。

5.其他分类

螺旋弹簧类型较多,按外型可分为：

普通圆柱螺旋弹簧；

变径螺旋弹簧。

按螺旋线方向可分为：

左旋弹簧；

右旋弹簧。

变径螺旋弹簧分为：圆锥螺旋弹簧、蜗卷螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧。

圆柱形螺旋弹簧，结构简单，制造方便，应用最广。其特性线为直线，可作压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧。当载荷大而径向尺寸又有限制时，可将两个直径不同的压缩弹簧套在一起使用，成为组合弹簧。

常用单位A——弹簧材料截面面积（mm²）；当量弯曲刚度（N/mm）；系数

a——距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——高径比；距形截面材料平行于弹簧轴线的边长（mm）；系数

C——螺旋弹簧旋绕比；碟簧直径比；系数

D——弹簧中径（mm）

D1——弹簧内径（mm）

D2——弹簧外径（mm）

d——弹簧材料直径（mm）

E——弹簧模量（MPa）

F——弹簧的载荷（N）

F’——弹簧的刚度

Fj——弹簧的工作极限载荷（N）

Fo——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——弹簧的试验载荷（N）

f——弹簧的变形量（mm）

fj——工作极限载荷Fj下的变形量（mm）

fr——弹簧的静变形量（mm)

fs——试验载荷Fs下弹簧的变形量（mm）；线性静变形量（mm）

fo——拉伸弹簧对应于处拉力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——重力加速度，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——碟形弹簧的内载锥高度（mm）

I——惯性矩（mm4）

Ip——极惯性矩（mm4）

K——曲度系数；系数

Kt——温度修正系数

ρ——材料的密度（kg/mm&sup3；）

σ——弹簧工作时的正应力（Mpa）

σb——材料抗拉强度（Mpa）

σj——材料的工作极限应力（Mpa）

σs——材料的抗拉屈服点（Mpa）

τ——弹簧工作时的切应力（Mpa）

k——系数

L——弹簧材料的展开长度（mm）

l——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（N·mm）

m——作用于弹簧上物体的质量（kg）

ms——弹簧的质量（kg）

N——变载荷循环次数

n——弹簧的工作圈数

nz——弹簧的支承圈数

n1——弹簧的总圈数

pˊ——弹簧单圈的刚度（N/mm）

R——弹簧圈的中半径（mm）

R1——弹簧圈的内半径（mm）

R2——弹簧圈的外半径（mm）

r——阻尼系数

S——安全系数

T——扭矩；转矩（N·mm）

Tˊ——扭转刚度（N·mm /（&ordm；））

t——弹簧的节矩

tc——钢索节距（mm）

U——变形能（N·mm）；（N·mm·rad）

V——弹簧的体积（mm&sup3；）

v——冲击体的速度（mm/s）

Zm——抗弯截面系数（mm&sup3；）

Zt——抗扭截面系数（mm&sup3；）

α——螺旋角（&ordm；）；系数

β——钢索拧角（&ordm；）；圆锥半角（&ordm；）；系数

δ——弹簧圈的轴向间隙（mm）

δr——组合弹簧圈的径向间隙（mm）

ζ——系数

η——系数

θ——扭杆单位长度的扭转角（rad）

κ——系数

μ——泊松比；长度系数

ν——弹簧的自振频率（Hz）

Vr——弹簧所受变载荷的激励频率（Hz）

τb——材料的抗剪强度（Mpa）

τj——弹簧的工作极限切应力（Mpa）

τo——材料的脉动扭转疲劳极限（Mpa）

τs——材料的抗扭屈服点（Mpa）

τ-1——材料的对称循环扭转疲劳极限（Mpa）

φ——扭转变形角（&ordm；）；（rad）1

特点1.精密的调节性能。即作用力与位移的关系非常灵敏；

2.柔软性能好，即变形的范围相对较宽；

3.制造比较容易；

4.结构比较紧凑；

5.能量利率高。

特性举例：

圆锥螺旋弹簧的缓冲性能较好，能承受较大载荷。

蜗卷螺旋弹簧能储存较多能量和承受较大载荷，但制造工艺较为复杂。

中凹形螺旋弹簧的性能与圆锥螺旋弹簧相似，多用于坐垫和床垫等。

弹簧钢丝的载面有圆形和矩形等，以圆形截面最为常用。

螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成螺旋形。扭转弹簧的端部结构是加工成各种形状的扭臂，而不是勾环。扭转弹簧常用于机械中的平衡机构，在汽车、机床、电器等工业生产中广泛应用。

主要功能①控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。

②吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。

③储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。

④用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。

弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或动能。2

弹簧功能应用测量功能我们知道，在弹性限度内，弹簧的伸长（或收缩）跟外力成正比。利用弹簧这一性质制成弹簧秤。

紧压功能观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个出头装有弹簧，以保证两个出头紧密接触，是导通良好。如果接触不良，接触处的电阻变大，电流通过时产生的热量变大，严重时还会是接触处的金属融化。卡口灯头的两个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好；至于螺口灯头的中心金属片以及所有插座的接插金属片都是簧片，其功能都是使双方紧密接触，以保持到同良好。在盒式磁带中，有一块磷青铜的簧片，利用它弯曲形变时产生的弹力使磁头与磁带密切接触。在订书机中有一个长螺旋弹簧它的作用一方面是顶紧钉书钉，另一方面是当最前面的钉被推出后，可以将后面的钉送到最前面以备钉舒适推出，这样，就能自动的将一个个钉推到最前面，直到钉全部推出为止。许多机器自动供料，自动步枪中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能。此外，象夹衣服的夹子，圆珠笔，钢笔套上的夹片都利用弹簧的紧压功能夹在衣服上。

复位功能弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复状态。很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的。例如，许多建筑物大门的合页上都装了复位弹簧人们进出后，门会自动复位。人们还利用这一功能制成了自动伞、自动铅笔等用品，十分方便。此外，各种按钮和按键也少不了复位弹簧。

带动功能机械钟表，发条玩具都是靠上紧发条带动。当发条被上紧时发条产生弯曲形变，存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动转动。在玩具枪和发令枪和军用枪支也是利用弹簧的之一性质工作的。

缓冲功能在机车汽车车架与车轮之间装有弹簧，利用弹簧的弹性来减缓车辆的颠簸。

振动发声功能当空气从口琴，手风琴中的簧孔中流动时，冲击簧片，簧片震动发出声音。3

汽车弹簧一、承载车身重量，也就是说，平常车辆的重量大部分都是由弹簧来承担的。

二、减缓道路颠簸的，螺旋弹簧是缓冲元件，当路面对轮子的冲击力传到螺旋弹簧时，螺旋弹簧产生变形，吸收轮子的动能，转换为螺旋弹簧的位能（势能），从而缓和了地面的冲击对车身的影响。但是，螺旋弹簧本身不消耗能量，储存了位能的弹簧将恢复原来的形状，把位能重新变为动能。如果单独使用弹簧而没有消振元件，一些轻型汽车就会像杂技演员跳“蹦蹦床”一样，受到一次冲击后连续不断地上下运动。

运用汽车制造中，在独立悬挂的车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。4