弹簧

弹簧是一种由有弹性但大部分刚性材料（通常是金属）组成的装置，该材料弯曲或模制成压缩或拉伸后可以恢复形状的形状（尤其是线圈）。弹簧在压缩时可以储存能量。

与大多数基本机制一样，金属模型存在于青铜时代，因此在历史上一直使用简单且非螺旋弹簧，以至于柔性树枝被用作弹簧。可以说，弹簧在金属出现之前就已经存在，因为木材以前在战争行动中被用作射箭弓和弹射器中具有柔性结构的元素。公元前三世纪，来自亚历山大港的希腊工程师（Catsibus）开发了一种通过增加混合物中锡的比例并用锤子敲打硬化来制造弹簧青铜的方法，并试图使用一套纸弹簧来制作军用弹射器，但它不够坚固，在公元前二世纪，来自拜占庭的工程师（Philo）制造了一种类似但比以前更好的弹射器。

在18世纪，由于弹簧通常是手工制作的，因此需要大量价格低廉的微型弹簧，但目前弹簧主要由音乐线（美国材料测试协会A228（0.8 0.95%C））等制成。 制造方法现在已经发展得如此之快，以至于今天弹簧无处不在，计算机引导技术允许在几周内根据所需的数量生产弹簧板或线材。

弹簧定义 弹簧是构成多个机械系统基础的基本机械元件。 弹簧可以定义为在其形状发生变化时施加阻力的弹性元件。大多数弹簧是线性的，并受胡克定律的约束：

F=KΔ，其中F是反作用力，Δ是位移，K是脉冲常数。

弹簧钢是一种具有非常高屈服极限应力（MPa 1000-1400）的金属混合物，通常由回火或回火和参考钢制成，但大多数弹簧由退火（发酵）钢制成，然后在成型过程后进行硬化和修改。这使得由弹簧钢制成的元件可以恢复到原来的形状，尽管它们会受到芯吸或弯曲的影响。而弹簧钢，从字面上看，就是用于制造弹簧的钢，这种钢含有0.95%-0.4%的碳，有或没有其他合金元素的存在，因此有碳钢和合金钢，弹簧材料通常由高碳碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金和镍合金制成。 最常用的碳弹簧钢是ASTM A228（0.8,0.95%C），根据美国编码称为“音乐线”或“音乐线” 大多数弹簧钢合金的主要成分是有机硅，例如汽车弹簧钢（AISI 9255 DIN、UNI 55Si7、AFNOR 55S7）含有 1.50%-1.80% 的硅、0.70%-1.00% 的锰、0.52%-0.60% 的碳。 大多数弹簧钢制品会硬化并退化到洛氏 C 级硬度为 45。 这些类型的钢具有较高的屈服应力，可以冷轧以更好地提高柔韧性极限，并且由于其含碳量高而不可焊接。 橡胶和聚氨酯等材料也可以由未包装的圆柱形弹簧制成。一些陶瓷材料已被开发出来，用于制造能够承受非常高温度的弹簧，目前正在测试单向玻璃纤维用于弹簧制造。钛是最贵的，其次是硅铬钢、钒铬、音乐线、油参考钢。

基本上，弹簧的人体工程学是选择合适的弹簧材料时最重要的考虑因素之一。为了成功选择弹簧材料，这种材料必须适合周围环境，并能抵抗热和腐蚀的影响，而不会过度降低弹簧性能。腐蚀和高温会降低弹簧的可靠性。因此，必须确定热量对弹簧材料的影响。

尽管有一些特定的材料被认为是弹簧，但它们不是为此目的而设计的混合物。弹簧材料是高电阻混合物，通常在混合物系统中表现出最高的电阻。 例如，在钢中，中高碳钢可以考虑作为弹簧材料，对于铜合金，铍-铜混合物也可以考虑作为弹簧材料，对于钛，可以使用冷弯型和慢性合金Ti-13V-11Cr-3A1。 用于制造弹簧的材料通常具有高阻力规格和高弹性极限，因为弹簧是一种弹性结构，旨在承受较大的变形，即弹簧材料必须具有较宽的弹性场。 其他因素，如抗疲劳性、成本、材料可用性、成型性、耐腐蚀性、磁性和导电性可能很重要，必须根据成本/效益加以考虑。 弹簧几乎总是暴露在疲劳载荷下，弹簧寿命期间所需的颠簸次数可能不超过锁紧弹簧的几千倍，但汽车发动机气门弹簧必须承受数百万次颠簸而不会塌陷，因此这种气门必须设计为无限寿命。 机械零件，例如轴，以完全反射应力的形式承受疲劳载荷，但丝杠弹簧不是同时用作压缩弹簧和拉伸弹簧，而是实际上它们在安装时受到预紧力并且工作载荷是附加的，因此形状表示自然弹簧载荷条件，弹簧暴露的最坏条件是没有预紧力时。 必须谨慎选择合适的材料以获得最佳结果，因为表面性能对抗疲劳性有重大影响，这方面通常没有在当地规范中解释，但对于包含疲劳应力的应用，使用具有出色表面性能（低粗糙度、平坦表面等）的材料非常重要。 在加工成本占总成本很大一部分的钢合金中，表面质量可以在相对较大的范围内变化。 在商业类型中，表面缺陷的深度可以达到线径的3.5%（ASTM A-227和A-229）。还可以获得几个中间质量水平，并且假设以气门弹簧和音乐弹簧为代表的较高质量水平没有缺陷。应该注意的是，碳化、硝化和类似过程对表面和弹簧的抗疲劳性有负面影响，另一方面，材料表面的质量取决于生产过程和后续处理中的小心谨慎，因此具有良好表面和抗疲劳载荷的产品的成本大于商业产品的成本。 用于制造弹簧的可用混合物数量有限。理想的弹簧材料必须具有高抗拉强度、高屈服极限和低弹性系数，才能具有较大的储能潜力（应力-应变方案弹性部分下的空间）。对于弹簧的动态载荷，材料的抗疲劳性能至关重要。其他需要考虑的因素包括成本、材料可用性、成型性、耐腐蚀性、磁导率和导电性。因此，必须仔细选择弹簧材料，以便在这些因素之间取得折衷。 在中高碳钢合金中通常具有较高的抗拉强度和屈服点。至于不锈钢，由于杨氏系数值的分散，适合弹簧制造的合金很少。 对于铜合金，铍-铜混合物和磷-青铜混合物通常适用于制造弹簧。承受很小力的小弹簧通常通过冷拔制成，是圆截面、矩形或冷轧薄板。

用于大力的弹簧，例如汽车悬架弹簧，是通过热拖或公路制成的。弹簧材料通常经过回火以获得所需的电阻。小截面的尺寸通过冷拔硬化，而大截面的尺寸通过热处理硬化。成型后通常使用低温（510-175°C）来消除残余应力并稳定尺寸。高温用于退火形成的泉水的浇灌和修正。 对于大多数应用，材料是否具有磁性的问题可以通过使用永磁体来回答。但在某些应用中，非常低水平的磁性行为可能是有害的。因此，最好了解所选材料的磁导率，并且由于磁导率会随着冷成型而变化，因此可以预期会有一些变化。低渗透率的材料通常价格昂贵，因此设计人员应该只在需要时才选择这些材料。氮锰增强不锈钢通常是一个不错的选择，因为它具有良好的耐用性并且价格实惠。