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弹簧设计规范
一、弹簧的功能
弹簧是一种弹性元件，由于材料的弹性和弹簧的结构特点，它具有多次重复地随外栽荷的大小而做相应的弹性变形，卸载后立即恢复原状的特性。很多机械正是利用弹簧的这一特点来满足特殊要求的。其主要功能有：
⑴、减振和缓冲，如车辆的悬挂弹簧，各种缓冲器和弹性联轴器中的弹簧等。 ⑵、测力，如测力器和弹簧秤的弹簧等。
⑶、储存及输出能量，如钟表弹簧，栓弹簧，仪表和自动控制机构上的原动弹簧等。 ⑷、控制运动，如控制弹簧门关闭的弹簧，离合器、制动器上的弹簧，控制内燃机气缸阀门开启的弹簧等。
二、弹簧的类型、特点和应用
弹簧的分类方法很多，按照所承受的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照形状的不同，弹簧可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、盘形弹簧和板弹簧等；按照使用材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧。各种弹簧的特点、应用见表1。
表1 弹簧的基本类型、特点和作用 名称 圆柱形螺旋弹簧 圆柱形螺旋扭转弹簧 弹簧简图 特点及应用 图(a)承受拉力，图(b)承受压力，结构简单，制造方便，应用最为广泛 承受转矩，主要用于各种装置中的压紧和蓄能 名称 碟形弹簧 弹簧简图 特点及应用 承受压力，缓冲及减振能力强，常用于重型机械的缓冲和减振装置。 承受压力，是目前最强的压缩、缓冲弹簧，常用于重型设备，如机车车辆、锻压设备和机械中的缓冲装置。 环形弹簧 圆锥形螺旋弹簧 承受压力，结构紧凑，稳定性好，防振能力较强，多用于承受大载荷和减振的场合 盘簧 承受转矩，能储存较大的能量，常用作仪器、钟表中的弹簧。 板弹簧 承受弯曲，变形大，吸振能力强，主要用于汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置。 在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。故本章主要讲述这类弹簧的结构形式、设计理论和计算方法。
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三、弹簧使用的材料及其用途
弹簧钢的的主要性能要求是高强度和高屈服极限和疲劳极限，所以弹簧钢材用较高的含碳量。但是碳素钢的淬透性较差，所以在对于截面较大的弹簧必须使用合金钢。合金弹簧钢中的主要合金元素是硅和锰，他们可以增强钢的淬透性和屈强比。
弹簧材料使用最广者是弹簧钢（SUP）。 碳素钢用于直径较小的弹簧，工艺多为冷拔成型，如：65#，75#，85#。直径稍大，需用热成型工艺生产的弹簧多采用60Si2Mn，如汽车板簧，铁路车辆的缓冲簧。对于高应力的重要弹簧可采用50CrV,常用于高级轿车板簧，发动机气门弹簧等。其他弹簧钢材料还有：65Mn, 50CrMn, 30W4Cr2V等。
a、碳钢及合金钢：制造弹簧时，常加矽、锰、铬、钒及钼等金属元素于钢中，以增加弹簧之弹性及疲劳限度，且使其耐冲击。
b、大型弹簧多用热作加工，即弹簧材料高温轧成棒，再高温加工成形后，淬火于780度～850度左右之油或水中，再施以400度～500度的温度回火。
c、小型弹簧，先经退火，再用冷作加工，捲成后再经硬化回火，如钢丝、琴钢丝或钢带。
d、琴钢丝是属高炭钢材（0.65～0.95%）制造，杂质少，直径常小于1/4时经过轫化处理后在常温抽成线，其机械性质佳，抗拉强度及轫性大，为优良的螺旋弹簧材料。
e、不锈钢丝用于易受腐蚀处，承受高温可用高速钢及不锈钢。
f、油回火线含碳量0.6～0.7%应含锰，0.6～1.0%常用于螺圈弹簧。
g、板弹簧常用0.9～1.0%之普通钢，其较高级者则使用铬钒钢及矽锰钢。
项名称 目 JIS代码 SUS302和WPB 概略组成 主要用途及特点 单价级别 回火温度 热后颜色 1 2 3 4 5 6 经过冷加工可得高强度，铁路车辆、输送机螺丝、螺C(碳)、Si(硅)、帽、弹簧等，耐热、耐蚀。 不锈Mn(锰)、P(磷)、广为使用于不锈钢、耐热钢线 S(硫)、Ni(镍)、钢，又用于食品设备，一般SUS304Cr(铬)、Mo(钼) 和WPB 仪学设备，原子力，耐热耐蚀。 硬拉钢线，用于耐蚀性差，C(碳)、Si(硅)、碳钢要求精度不高，钢性较脆，SWC Mn(锰)、P(磷)、线 成形后要表面处理或加防锈SWB S(硫) 油。 耐疲劳性佳，要求精度高。C(碳)、Si(硅)、琴钢一般用于电池弹簧、开关弹SWPA Mn(锰)、P(磷)、线 簧等、钢性柔韧，成形后要SWPB S(硫)、Cu(铜) 表面处理或加防锈油。 耐蚀性佳，于时效硬化处理Be(铍)、Mn(锰)、前，富于展性时效硬化处理Ni(镍)、铍铜后，增加耐疲劳性，导电性C1720W P(磷)[Cu(铜)+Sn(线 时效硬化处理应加工后，可锡)+P(磷)]Ni(镍)+制螺丝弹簧电刷，通讯器具Co(钴) （表面镀银、金）。 耐疲劳性，耐蚀性、耐磨耗磷青Sn(锡)、Zn(锌)、性佳，可制螺丝弹簧、扭C5191W 铜 簧、扣钮、扎电机、通讯市P(磷) 场适用（镀金、银）。 如油回火线、白铜线及其它线材，不常用，适用于航天科其它 技。 镀镍线等同SWC+Ni。 中 300°～480°之间（视线径之大小） 米灰色亮白色 低 淡茶色、茶200°～400°之间色、青色、（视线径之大小） 淡蓝色、褐色 200°～400°之间（视线径之大小） 同SWPA、SWPB 高 特高 150°~200° 黄色 较高 150°~200° 黄色 常需特别制做，造价昂贵。 4
弹簧常在变载荷和冲击载荷作用下工作，而且要求在受极大应力的情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。常见的弹簧材料有优质碳素钢、合金钢和铜合金。几种主要弹簧材料的使用性能和许用应力见表2。
表2 螺旋弹簧的常用材料和许用应力 材料 类别 碳素弹簧钢丝 牌号 B、C、D级 许用应力[r]MPa Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 0.3σ h推荐使用温度/℃ -40-120 推荐硬度范围 特点及应用 0.4σ h0.5σ h 60SiMn 合金钢丝 480 0 800 -40-200 50CrVA 60SiCrVA 450 570 450 270 600 760 600 360 750 950 750 450 -40-210 45-50 -40-300 -40-120 不锈钢丝 青铜丝 4CrI3 QSi3--1 QSn4--3 价廉易得，热处理后强度较高，但尺寸大了不易淬透，多用于制作小弹簧 弹性和回火稳定性好，但易脱碳，适用于制造受重载的大弹簧。 有高的疲劳极限，弹性、淬透性45-50HRC 和回火稳定性好，常用于制造受变载荷的弹簧 强度高，弹性好，耐高温，适用于承受重载荷的弹簧 耐腐蚀，耐高温，适用于受腐蚀 介质影响的弹簧 耐腐蚀，防磁，适用于机械或仪48-53HRC 90-100100HRC 表中的弹簧 在选择材料时，应考虑弹簧的用途、重要性、工作条件（如载荷性质、大小及循环特性，工作温度和周围介质，工作时间等）、加工方法、热处理和经济性等诸多因素。如碳素弹簧钢的价格低，强度高，性能好，广泛用于受静载荷和有限作用次数变载荷的小弹簧；合金钢的强度高，弹性好，耐温高，适用于尺寸较大及承受冲击载荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于在腐蚀性介质中工作的弹簧；铜合金的耐腐和抗磁性好，但强度低，适用于受力较小而又要求有耐腐蚀和防磁的弹簧。表3为优质碳素弹簧钢丝的尺寸系列和抗拉强度极限，供设计时参考。
非金属弹簧的材料主要是橡胶，另外还有塑料、软木和空气等。
弹簧材料的许用应力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝尺寸，弹簧的工作条件和重要程度有关，弹簧的许用应力按受变载荷循环次数的情况不同分三类（见表2）；循环次数在106以上的重要弹簧（如内燃机阀门弹簧和电磁闸瓦制动弹簧等）为Ⅰ类；循环次数在103-106之间及受冲击载荷的弹簧（如调速器弹簧和一般车辆弹簧等）为Ⅱ类；循环次数在103以下的弹簧（如一般安全阀门弹簧和磨擦式安全离合器弹簧等）为Ⅲ类。
碳素弹簧钢的强度高、性能好，供应充足，应用广泛，适于制造弹簧丝直径d≤13mm的弹簧。按照用途分为三级：B级（d＝0.08-10mm）用于低应力弹簧；C级d＝0.08-10mm用于中等应用弹簧；D级（d＝0.08-6.0mm）用于高应力弹簧。碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限σb见表3。
表3 GB4357-碳素弹簧钢丝抗拉强度（GB/T1239.6-92）单位：MPa 钢丝直径d/mm 1.00 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.5 B级 1600 1620 1620 1570 1520 1470 1420 1420 级 别 C级 1960 1910 1860 1810 1760 1710 1660 1660 D级 2300 2250 2150 2110 2010 1910 1810 1760 钢丝直径 d/mm 4.5 5.0 5.5 6.0 6.3 7.0 8.0 9.0 B级 1320 1320 1270 1220 1220 1170 1170 1130 级 别 C级 1520 1470 1470 1420 1420 1370 1370 1320 D级 1620 1570 1570 1520 1520 - - - 5
2.8 3.0 3.2 3.5 4.0 1370 1370 1320 1320 1320 1620 1570 1570 1570 1520 1710 1710 1710 1660 1620 10.0 11.0 12.0 13.0 1130 1080 1080 1030 1320 1270 1270 1220 - 1270 1270 1220 6
四、弹簧设计资料 记号 d D Na L M G 材料直径 弹簧平均径 有效圈数 自由长 密着长 横弹性系数 名称 SUS SWPA、B SUWC 7000 8000 单位 mm mm 记号 k τ δ 名称 弹簧定数 应力修正 变量 初张力 应力修正系数 弹簧指数 D/d 自由长 自由角 使用的角(变量) 荷 重作用半径 单位 kgf/mm kgf/mm mm kgf - - mm ° ° mm 记号 a1 a2 E 名称 腕长(作动点) 腕长(固定点) 弹性系数 SUS 19,000 SWP 21,000 单位 mm mm kgf/mm kgf/mm kgf/mm kgfmm/deg kgf/mm - - - mm mm kgf/mmkgf/mmkgf/mm2 2 2 Pi K e L 0 a φd R kTd σ P点 P0点 kb 弹簧定数 弯曲应力 作动点 固定点 弯曲修正系数 P 弹簧荷重 kgf 压缩弹簧(无研磨) 压缩弹簧(研磨)
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弹簧定数：K=（G×d）/（8×D×Na） 弯曲应力：τ=（8×D×P）/（πd3）×K
K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C
荷重：P=K×δ （安全确认）
安全角（间隔角）：14度以下 弹簧指数：4—13
扭转应力：容许限界以下 第1荷重（A）：0.8L以下 第2荷重（B）：1.2M以上
引张弹簧
荷重：P = kδ+ Pi
初张力：Pi =（πd4G）/（800D2） 弹簧定数：K=（Gd4）/（8D3Na） 弯曲应力：τ=（8DP）/（πd3）×k 自由长：L0= d(N+1)+2.2(D-d) （安全确认）
扭转应力：容许限界以下 弯曲应力：容许限界以下
初张力的减少：（最大引张时）
扭力弹簧
(臂长度的场合)
弹簧定数不清：kTd =（Ed4）/[3667D×N+3(a1+a2) ] 荷重：P =（kTd×φd）/R
弯曲应力：σ=（Ed×φd）/（360D×N）
σ=（32P×R）/（πd3）×kb
(安全确认)：kb =（4C2–C-1）/[4C(C-1)] 弯曲应力：容许限界以下
4.1、弹簧设计使用的基本公式 4.1.2、有初始张力的拉伸弹簧
6
+
7
4.2、设计弹簧时应考虑的因素
G
材料 弹簧钢 碳钢丝 琴钢丝 油回火钢丝 不锈钢丝 符号 SUP6,7,8,9,9A,10,11A,12,13 SW-B, SW-C SWPA, SWPB SWO, SWO-V, SWOC-V， SWOSC-V, SWOSM, SWOSC-B SUS302,SUS304,SUS304N1,SUS316 SUS631 J1 G（N/mm） 378x10 378x10 378x10 378x10 369x10 374x10 2压缩弹簧 分别表示螺旋两端的端部磨平圈数 图a-c 中闭口型，X1=X2=1 图d-f 中开口型，X1=X2=0.75 拉伸弹簧：Na=Nt
（a）闭口端（无磨削） （b）闭口端（磨削） （c）闭口端（锥形） （d）开口端（无磨削） （e）开口端（磨削） （f）开口端（锥形）
（g）开口端3/4端部磨平圈（无磨削） （h）正切尾端（无磨削） （i）抽头尾端（无磨削）
相对于弹簧指数c的应力修正系数取决于下式或图
⑴、弹簧指数c：弹簧指数减小会导致局部应力过大。另外，弹簧指数较大或较小时，加工性也成问题。因此，热轧成型时，弹簧指数可在4～15的范围内选择。冷轧成形时，弹簧指数可在4～22的范围内选择。
⑵、纵横比：为了确保有效圈数，压缩弹簧的纵横比（自由高度与螺旋平均直径之比）可设定为0.8以上，另外，在考虑到端部磨平圈的情况下，一般可在0.8～4范围内选择。
⑶、有效圈数：如果有效圈数为3以下，弹簧特性则会变得不稳定，因此应将弹簧指数设定为3以上。
⑷、节距：节距超过0.5D时，由于螺旋直径通常会随着绕曲量(负载)的增加而发生变化，需要对利用基本公式求出的绕曲量与扭转应力进行修正，因此应将节距设定为0.5D以下。
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五、弹簧电镀相关资料 NO 1 表面处理 镀金(Au) 简单工艺介绍 除油→酸洗→镍底→镀金→烘干 除油→酸洗→打铜底2次(碱铜、酸铜)→镍底→镀铬→烘干 除油→酸洗→打镍底→镀银→烘干 除油→酸洗→打铜底(必要时)→镀镍(滚镀) 镀后颜色 金色 用途 降低接触电阻，耐磨耗，保真效果。 硬度高，耐磨性好，反光能力强，有较好的耐热性。 导电性(金属中)佳，导热率佳。 防腐性佳，焊锡，导电耐磨性。 耐蚀性好(较电解)镀层均匀。 便于焊锡，导电性一般。 防锈(视产品要求) 防锈(视产品要求) 防锈(视产品要求) 防锈(视产品要求) 镀层厚度 盐雾试验标准 ①0.04~0.06μm薄 24H以上 ②1.2~1.5μm厚 铬0.5μm薄 24H以上 15μm以上厚 连续喷镍3~5μm 8H,WKS IJL 16H(欧230标银0.04~0.06μm 准)24H以上 JIS 3~5μm 3H(连续喷雾) JIS 3~5μm 3H(连续喷雾) 3~5μm 24H以上 5μm 以上 5μm 以上 5μm 以上 5μm 以上 2H 2H 2H 2H 2 镀铬(Cr) 天蓝色 3 镀银(Ag) 银色 4 镀镍(Ni) 电解 无电解 白色 5 6 除油→酸洗→镍底(镍磷合金化学分解) 除油→酸洗→镍底→镀锡(Sn) 镀锡 除油→酸洗→镀锌→黑锌 发黑 除油→酸洗→镀锌→蓝锌 发蓝 镀锌(Zn) 五彩锌 白锌 除油→酸洗→镀锌→发五彩 除油→酸洗→镀锌→烘干 白色 亮白色 黑色 蓝色 五彩(赤橙黄绿青) 白色 7 染黑 一般不做,常温保持一年除油→酸洗→染黑(片较精密，对尺寸有较黑色 1~2μm 小影响，防锈。 (上油情形碱同亚销酸钠) 下)。 中性盐雾试验标准：浓度3%、5%、20%(化钠)、PH值6.5~7.2之间，温度95%，降雾每21~2ml/H/80cm，喷嘴压力0.8~1.4Kg，放置垂直挂或斜15~30°，不可直接喷在2件上。 8
