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，枪栓弹簧，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
名称弹簧简图特点及应用名称弹簧简图特点及应用
圆柱形螺旋弹
簧图(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
碟形
弹簧
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。
圆柱形螺旋扭转弹簧承受转矩，主要用于各
种装置中的压紧和蓄
能
环形
弹簧
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。
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。
法。
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。
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。
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。
四、弹簧设计资料
记号名称单位记号名称单位记号名称单位
d 材料直径mm k 弹簧定数kgf/mm a1 腕长(作动点) mm
D 弹簧平均径mm τ应力修正kgf/mm a2 腕长(固定点) mm
Na 有效圈数δ变量mm E 弹性系数kgf/mm L 自由长mm Pi 初张力kgf SUS 19,000 kgf/mm M 密着长mm K 应力修正系数- SWP 21,000 kgf/mm G 横弹性系数kgf/mm2 e 弹簧指数 D/d - kTd 弹簧定数kgfmm/deg
SUS 7000 kgf/mm2 L 0 自由长mm σ弯曲应力kgf/mm SWPA、B 8000 kgf/mm2 a 自由角°P点作动点-
SUWC φd 使用的角(变量) °P0点固定点-
P 弹簧荷重kgf R 荷重作用半径mm kb 弯曲修正系数-
压缩弹簧(无研磨) 压缩弹簧(研磨)
弹簧定数：K=（G×d4）/（8×D3×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）
