弹簧基础知识大集萃

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小…等，广泛用于机器、仪表中。

弹簧只是个蓄能器，它有储存能量的功能，但不能慢慢地把能量释放出来，要实现慢慢释放这一功能应该靠“弹簧+大传动比机构”实现，常见于机械表。

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，并把机械功或动能转化为变形能，而在卸载后弹簧的变形消失并回复到原状，同时将变形能转化为机械功或动能。

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。

弹簧的主要功能

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。

弹簧分类

按受力性质，弹簧可分为：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧。

变径螺旋弹簧

按形状可分为：螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、波形弹簧、板弹簧、截锥涡卷弹簧、发条弹簧(卷弹簧)、扭杆弹簧、地弹簧、卡簧、异型弹簧…等。

按制作过程可分为：冷卷弹簧和热卷弹簧(丝直径小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用热卷法)。

按弹性元件的材料可分为：金属弹簧、橡胶弹簧、聚氨酯弹簧、液压弹簧、气弹簧、氢气弹簧…等。

按弹簧丝截面的形状可分为：圆形截面弹簧和矩(方)形截面弹簧。

金属弹簧的制造材料一般来说应具有：高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及良好的热处理性能…等，常用的有：碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢、有色金属合金（铜合金、镍合金）…等。

弹簧专业供应商（简单列几个，无法求全）

德国Stabilus公司（气弹簧）
美国联合弹簧公司（各种弹簧，共五大品牌：SPEC；RAYMOND；KALLER；HYSON 和 SPD）
西安弘力橡胶气囊有限责任公司（气弹簧）
上汽股份中国弹簧厂 （金属弹簧）
杭州弹簧有限公司（金属弹簧）
浙江省诸暨市利强弹簧有限公司（金属弹簧）
浙江美力科技股份有限公司（金属弹簧）
泰州市盛源不锈钢弹簧厂（不锈钢弹簧）

弹簧发展简史

弹簧很早很早之前就有应用了，古代的弓和弩就是两种广义上的弹簧。

弹簧的发明家严格意义上应该是英国科学家虎克(Robert Hooke），虽然那时螺旋压缩弹簧已经出现并广泛使用，但虎克提出了“虎克定律”——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虎克本人发明出来。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（氢气弹簧）、不锈钢弹簧、空气弹簧、记忆合金弹簧、高温弹簧…等新型弹簧。

氮气弹簧的发展情况

氮气弹簧是一种具有弹性功能的部件。它将高压氮气密封在确定的容器中，外力通过柱塞杆将氮气压缩，当外力去除时靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力，这种部件称为氮气缸或气体弹簧，简称氮气弹簧（Nitrogen Cylinder；Gas Spring）。

目前常规弹性元件有弹簧、橡皮和气垫，这些弹性元件在工业领域中得到了广泛的应用，解决了各种弹性储能的需要。在模具工业中，更是被大量使用着。这些年来，模具技术和模具制造水平有了很大的发展和提高，工业产品对模具的需求量也越来越大，模具朝着精密、复杂、高效、长寿命的方向迅速发展。

而原有的常规弹性元件存在一定的缺点，不能满足这种形势的需要，不能理想地解决冲压工艺中的要求。这种情况往往会影响到冲压件的质量，使模具结构设计变得比较复杂，影响了模具在压力机上更换的时间；同时常规弹性元件占有模具空间太大，正大、增大了模具制造的成本。例如弹簧、橡皮均存在着需要预紧，才能达到设计所需的弹压力，而它们的弹压力又是随行程加大而明显地增大，这种弹压里不恒定的性能，可能导致零件不能成形，对拉延力是很不理想的。对于复杂的拉延成型零件，这个矛盾就显得特别突出，有时只好采用增加工序的办法来解决这类问题。

再如弹簧、橡皮的起始力都不大，这一点对要求起始力比较大的弯曲、翻边等工艺，也不理想。由此产生的结果是，冲压制件的质量不稳定，调整模具费时费力。对于密集型冲头的冲裁工艺，如采用弹簧和橡皮卸料，往往会遇到模具的卸料空间不够安放弹簧或橡皮，因而需要加大模具空间来解决这类问题。

还可以举出不少这类例子。当前冲压设计人员只能采用气垫来弥补这些不足。但是采用压力机气垫时，模具的设计，调整使使用者不很方便；由于气压的波动和管道节流损失，气垫所提供的力量也不是很准确；它所占有的空间比较大；需要配备专用的压缩空气站，况且并非所有的压力机均配有气垫。在使用气垫时，模具设计均要受气垫顶杆位置的限制，模具安装调试也不方便。

为此，人们努力开发一种新型的弹性功能部件来代替常规的弹性元件，这种新型弹性元件具有更加完善的性能，能代替常规弹性元件，完成常规弹性元件难于完成的工作，氮气弹簧作为新型弹性工具部件也就应运而生。它能够弥补上述不足，简化模具设计、制造、方便模具调整；它可以作为独立部件，安装在模具中使用，也可以设计成一种排管式弹簧，作为模具的一部分参加工作，可以在系统中很方便实现弹压力恒定和延时动作，是一种具有柔性性能的弹性部件。氮气弹簧不仅可以在模具行业中广泛的应用，也可以用到其他工业领域，如汽车、电子、仪表等行业。由此看来，氮气弹簧的用途相当广泛，它的出现迎合了时代的要求，满足了工业发展的需要。

弹簧材料的发展历程

随着弹簧应用技术的发展，对弹簧材料提出了更多的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能方面；其次是根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等方面。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另从严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。

（1）弹簧钢生产工艺的发展

为了提高弹簧钢的质量，工业发达国家已普通采用炉外精炼技术、连铸工艺、新型轧制和在线自动检测及控制设备等。

为了保证钢的化学成分，降低气体和各种非金属加夹物的含量，采用大容量电炉或转炉熔炼，采用炉外钢包精炼，使氧含量（质量分数）降至（0.0021～0.0010）%，生产出超纯净钢，从而大大提高了弹簧的设计和工作应力。

连铸生产工艺在弹簧钢生产中已被广泛采用。连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析，减小二次氧化，改善表面脱碳，使组织和性能稳定、均匀。

采用分列式全连续轧机，可提高尺寸精度，表面质量，同时也可使钢材沿长度显微组织均匀。在轧制过程中为了保证产品的表面质量采用在线自动检测和控制。为了适合变截面弹簧扁钢生产而开发了奥氏体轧制成形新工艺，即先将钢加热到奥氏体区再急冷至亚稳奥氏体区进行塑性加工并淬火处理。这种工艺可使钢在不降低塑性的同时提高强度。此外还有通过轧后在线热处理和表面硬化处理来提高弹簧钢的性能等。

（2）合金钢的发展

合金元素的主要作用是提高力学性能，改善工艺性能及赋予某种特殊性能。气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用SiCr钢。Si是抗应力松弛最好的合金元素，在SiCr钢中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo钢，可以提高疲劳寿命和抗松弛性能。同时SiCr拉拔钢丝，其在高温下工作时的抗松弛性能，比琴钢丝和重要用途碳素弹簧钢丝要好。随着发动机高速小型化，抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用，其强度可达2000MPa。

（3）低碳奥氏体钢的发展

　　 低碳奥氏体钢38SiMnB是我国自主研发的一种新型的高性能弹簧钢，在此基础上开发的38SiMnVBE更具优越性，具有高强韧性、高淬透性、高应用性和高性能比。在进行超细晶粒控制轧制后，其抗拉强度 =（2030～2140）MPa，屈服强度 =（900～2010）MPa，伸长率 =（12～15）%，面缩率 =（48～55）%。为少片变截面板弹簧提供了高性能的材料。

（4）不锈钢的发展

我国是生产不锈钢的大国，随着不锈钢的生产发展，自然也开发了不少品种，目前已达50多种，，基本满足了国内生产发展的需要，对当前开发的一些新品种作简要说明。

1）奥氏体不锈钢体系的初步形成。为了消除碳元素造成的不锈钢晶界腐蚀疲劳，开发出低碳奥氏体不锈钢0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。为了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。

2）含氮不锈钢的发展。 在不锈钢中以氮代碳取得了成果。在奥氏体不锈钢中N和C有许多共同特性。N稳定奥氏体的作用比Ni大，与C相当。N与Mn结合能取代比较贵的Ni。

在奥氏体中N也是最有效的固溶强化元素之一。N与Cr的亲和力要比C与Cr的亲和力小，奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蚀性能的基础上，提高不锈钢强度。

3）超强铁素体不锈钢的发展。 铁素体不锈钢具有良好的腐蚀性能和抗氧化性能，其抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢。价格比奥氏体不锈钢便宜。但存在可焊性差、脆性倾向比较大的缺点，生产和使用受到限制。通过降低钢中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等稳定化元素，添加Cu、AI、V等焊缝金属韧化元素三种途径，可以改善铁素体钢的可焊性和脆性。

4）超级奥氏体钢的发展。 超级奥氏体钢指Cr、Mo、N含量显着高于常规不锈钢的奥氏体钢。其中比较着名的是含6% Mo的钢（245SMo）。这类钢具有非常好的耐局部腐蚀性能，在海水、充气、存在缝隙、低速冲刷条件下，有良好的抗点蚀性能（PI 40）和较好的抗应力腐蚀性能，是Ni基合金和钛合金的代用材料。

5）超马氏体不锈钢的发展。 传统的马氏体不锈钢2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足够的延展性，在冷顶锻变形过程中对应力十分敏感，冷加工成形比较困难。加之钢的可焊性比较差，使用范围受到限制。为克服马氏体钢的上述不足，近来已找到一种有效途径，就是通过降低钢的C、Ti含量，增加Ni含量，开发一个新系列合金钢——超马氏体钢。这类钢抗拉强度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超马氏体钢又称为软马氏体钢或可焊接马氏体钢。

（5）弹簧钢丝的发展

弹簧钢丝经过100多年的发展，工艺技术经历了由铅淬火到油淬火，现又发展到感应加热淬火。再加上工艺技术装备不断创新和完善，品种质量不断更新。近来开发的阀门用弹簧钢丝感应加热淬火和回火处理工艺，试验证明，由于感应加热时间短，淬火组织细小，钢丝表面几乎没有脱碳层，所以其塑性、韧性、抗松弛性、断裂韧性、延迟断裂抗力、疲劳寿命等都比油淬火回火钢丝有较大提高。

另一种研究取得成效的超细晶粒形变热处理钢丝已能实地应用，超细晶粒形变热处理是组织超细化与形变热处理相结合的一种复合强韧化工艺。它既可提高钢丝的力学性能，同时又能改善钢丝的表面质量。材料表面质量对疲劳性能影响很大。为了保证表面质量，对有特殊要求的材料采用剥皮工艺，将表层去掉0.1mm。对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤。对拔丝过程表面产生的凹凸不平，可用电解研磨，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。

（6）不锈钢丝的发展

近年来国外不锈弹簧钢丝生产发展较快。国内需求量增大的品种主要为1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。

先进的钢丝生产工艺流程特点是盘条首先剥皮处理，去除热加工在表面造成的缺陷，除第一次固溶处理后要进行酸洗外，整个冷加工过程均保持光亮表面。

随着工艺的发展，不绣钢丝生产流程进一步简化，将部分原属金属制品行业质量控制简化，转换为对盘条质量的要求。在粗拉丝机后，应用清洁球擦拭和水中清洗，去除表面涂层和残余润滑膜。在光亮热处理前配备电解酸洗、碱中和、水冲洗和烘干装置，彻底去除钢丝表面油污，改善表面质量。

（7）形状记忆合金的开发

目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金，以50Ti和50Ni性能最好。形状记忆合金制成的弹簧，受温度的作用可伸缩。主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中。由于是靠弹簧伸缩推动执行机构，所以弹簧的工作应力变化较大。

（8）陶瓷的应用

陶瓷的弹性模量高，断裂强度低，适用于变形不大的地方。目前正在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷，应用的有超塑性锌合金（SPZ），在常温下具有高的强度。另外，还有高强度的氮化硅，能耐高温，可达1000℃。但陶瓷弹簧不适用于在冲击载荷下工作。

（9）纤维增强塑料在弹簧中应用

玻璃纤维增强塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等国已广泛应用，除用于横置悬架外，还可用于特殊轻型车辆，如赛车的纵置悬架。目前又研制成功了碳素纤维增强塑料（GFRP）悬架弹簧，比金属板簧要轻20%。