弹簧的基本性能和设计要求

1、弹簧的基本性能和 设计要求 低压电器十大工艺之一低压电器十大工艺之一 弹簧的基本性能和设计要求 低压电器十大工艺低压电器十大工艺 冷冲压冷冲压 触头焊接触头焊接 塑料成型塑料成型 热处理热处理 弹簧制造弹簧制造 电镀电镀 线圈绕制线圈绕制 涂漆涂漆 铁芯制造铁芯制造 绝缘处理（浸漆）绝缘处理（浸漆） 弹簧的基本性能和设计要求o弹簧的基本性能是在载荷作用下产生变形，卸载时释放能量恢复原形，加载变形过程遵循一定的规律。o弹簧在低压电器中的作用： A) 保证动作力：如操作机构的作用力、触头压力、电磁系统的反作用力等； B) 缓冲作用：由于电器上电磁铁的吸合、断开时有很大的冲击力，用弹簧制成缓冲机构，

2、可以吸收动能，减少冲击。 C) 防止联结件松动：电器在工作中有振动，各联结部分需要用弹簧的弹力压紧，防止松动。 弹簧的基本性能和设计要求弹簧的特性线 载荷P(M)与变形F( )之间的关系曲线称为弹簧的特性线。弹簧的特性线大致有三种类型：直线型、渐增型和渐减型。 直线型 刚度不随载荷的变化而变化 渐增型 刚度随载荷的增加而增大 渐减型 刚度随载荷的增加而减小 弹簧的基本性能和设计要求o常用弹簧的分类（按形状和结构分） （1）圆柱螺旋弹簧 （2）变径螺旋弹簧 （3）蝶形弹簧 （4）平面蜗卷弹簧 （5）片弹簧 常用弹簧的分类（1）圆柱螺旋弹簧 这类弹簧多数由圆形截面材料制成，当同样空间条件下需要更大

3、的刚度时， 可选用矩形截面的材料。低压断路器中常用的圆柱型弹簧有以下三种： A) 圆柱形螺旋压缩弹簧 这种弹簧结构简单，制造方便，特性接近于直线型，刚度值较稳定。 在低压断路器中常用作触头弹簧、螺旋管式电磁脱扣器的瞬时弹簧等。 B) 圆柱形螺旋拉伸弹簧 性能和特点与压缩弹簧相同，主要承受拉伸载荷，其特性线是直线型，分 无初应力和有初应力两种。 在低压断路器中常用作机构主弹簧（一般有初应力）、拍合式电磁脱扣器 的瞬时弹簧和机构的复位弹簧等（一般无初应力）。 C) 圆柱形螺旋扭转弹簧 这种弹簧主要承受扭矩作用，特性线呈直线型。 在低压断路器中常用作触头弹簧或机构及脱扣器的复位弹簧。 常用弹簧的分类

4、2）变径螺旋弹簧 A) 圆锥形螺旋弹簧 这类弹簧的特点是稳定性好，结构紧凑，其特性线开始是直线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增型，有利于缓和冲击和共振，接触器弹簧的主弹簧常选用圆锥形弹簧。 B) 中凸和中凹形弹簧 这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧，中凸形弹簧在某些场合可替代圆锥形弹簧使用，中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。 常用弹簧的分类 （3）蝶形弹簧 加载与卸载特性不重合，在工作过程中有能量消耗，缓冲和减震能力强，蝶形弹簧常用于中、高压产品中。 （4）平面蜗卷弹簧 这类弹簧圈数多，变形角大，储存能量大，多用在仪器和钟表中。 （5）片弹簧 这类弹簧由薄片材料制成，结构形状繁多，主要用于仪表及低压元器

5、件中，继电器中使用较多。 常用弹簧的分类 型 式代 号 简 图 特 点 用 途圆柱型螺旋压缩弹簧 Y弹簧受轴向压缩负荷 Y RY两端圈并紧、磨平广泛应用于冷卷及热卷弹簧 RY两端圈并紧、不磨或磨平广泛应用于热卷弹簧 Y 两端圈并紧不磨用于d0.5mm,且对支承要求不高的情况，应用于冷卷弹簧 Y两端圈不并紧一般用于不太重要的弹簧，应用于冷卷弹簧 常用弹簧的分类 型 式代 号 简 图 特 点 用 途圆柱型螺旋拉伸弹簧 L弹簧受轴向拉伸负荷 L RL 半圆钩环两端弯有钩环，钩环形式视装配要求而定，推荐采用半圆钩环、圆钩环和圆钩环压中心3种形式。钩环弯折处应力较大，易折断，半钩环体积较小，多用于拉力不

6、太大的情况。 L RL 圆钩环 L RL 圆钩环压中 心 L偏心圆钩环 L 长臂半圆钩环 常用弹簧的分类 型 式代号 简 图 特 点 用 途圆柱型螺旋扭转弹簧 N弹簧受扭转负荷N内臂扭转弹簧扭转弹簧型式繁多，端部结构视装配要求而定，推荐采用外臂、内臂及直臂扭转弹簧，均应用于冷卷弹簧N外臂扭转弹簧N中心臂扭转弹簧N 双扭簧N直臂扭转弹簧N单臂弯曲扭转弹簧 弹簧的基本参数弹簧的基本参数1）弹簧的直径（中径）2）弹簧的旋绕比3）弹簧的圈数4）弹簧的螺旋角和节距5）弹簧的高度（长度）6）弹簧的刚度7）弹簧的端部结构 弹簧的基本参数 Ddt22Ddtdt222 . 08 . 0弹簧的直径（中径）弹簧的直

7、径（中径） 弹簧的中径D是弹簧的公称尺寸，也是各参数的计算依据，为了保证弹簧工作时有足够的空间，设计时应考虑弹簧受载荷时簧圈直径的变化。 对压缩弹簧来说，受载时簧圈直径会增大，增大值的近似计算如下： 当弹簧两端固定，从自由高度压到并紧时，直径的增大值D为： D 0.05 (t 弹簧的节距 ） 当两端面与支承座间可以自由回转，摩擦力比较小时，直径的增大值D为： D 0.1 弹簧的基本参数o扭转弹簧在受载后直径将变小、圈数增加，直径变小的程度取决于弹簧原有圈数及工作时扭转角的大小。变化后的内径D1计算如下： D1 D1 D1 o为了避免弹簧与心轴发生抱紧现象，扭转弹簧的心轴必须比最大工作扭矩作用下

8、的弹簧内径小10。 nn360nD21 弹簧的基本参数弹簧的旋绕比弹簧的旋绕比C C 弹簧中径D与材料直径 d 之比称作弹簧的旋绕比，或弹簧指数。旋绕比越小，曲率越大，绕制越困难，弹簧刚度也越大。由于工作时弹簧材料内侧切应力比平均切应力大很多，导致其工作区间变小。旋绕比大时，弹簧绕制较容易，性能也较稳定。弹簧的圈数弹簧的圈数 弹簧的有效圈数n是指直接参加弹性变形的圈数。为了避免由于载荷偏心引起过大的附加力，工作圈数最少为两圈，一般应不少于3圈。 压缩弹簧支承圈的圈数n2取决于端部结构型式。总圈数等于有效圈数与支承圈数之和。 弹簧的基本参数弹簧的螺旋角和节距弹簧的螺旋角和节距 压缩弹簧的螺旋角一

9、般取510，如螺旋角大于10时，则计算弹簧变形应考虑螺旋角的影响，螺旋角arctg 。 相邻两簧圈中心沿弹簧轴线之间的距离称为弹簧的节距t，对于正常节距的压缩弹簧，要求被压缩到整个变形区的80时，弹簧圈间不应接触。 拉伸弹簧的节距td，因而螺旋角很小，可忽略不计。 扭转弹簧的节距 t = d+ （ 系弹簧圈间间隙），扭转弹簧的节距一般比较小，因而其螺旋角也比较小。Dt 弹簧的基本参数 弹簧的高度（长度）弹簧的高度（长度） 压缩弹簧的自由高度H0是指弹簧在不受外力时弹簧的高度，压并高度Hb是指压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。 拉伸弹簧的自由长度H0是指两端钩环内侧的距离。 端部为半园钩环时 H

10、0 (n+1)d+D1 端部为园钩环时 H0 (n+1)d+2D1 弹簧的基本参数 弹簧的刚度弹簧的刚度o对压缩弹簧和拉伸弹簧，弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形所用的载荷，即： P= P/F = 其中 P 压缩和拉伸弹簧刚度（N/mm） P 弹簧所受负荷（N） F 弹簧的变形量（mm） G 弹簧材料切变模量（N/mm） d 弹簧材料直径（mm） n 弹簧的有效圈数 D 弹簧中径（mm）348nDGd 弹簧的基本参数o扭转弹簧的刚度M指产生单位变形角所需的扭矩， M = M/ = 其中 M 扭转弹簧的刚度（Nmm/1） M 扭转弹簧的扭矩（Nmm） 扭转弹簧的扭转角 E 弹簧材料的弹性模量（N/m

11、m）DnEd36704 弹簧的基本参数 弹簧的端部结构弹簧的端部结构 压缩弹簧的端部结构常用的有两端圈并紧并磨平、两端圈并紧不磨平和两端圈不并紧三种，两端圈不磨平的结构稳定性差，一般用于要求不高，承受静载荷或旋绕比较大的弹簧。 当旋绕比在310之间时，弹簧端面应磨平以提高垂直度及稳定性； 旋绕比在1015之间时，端部可磨平，也可不磨平； 旋绕比大于15时，端面一般不需磨平。 弹簧的基本参数 压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系 端部型式总圈数n1自由高度H0压并高度Hb端部不并紧不磨平 n nt+d (n+1)d端部不并紧、磨平1/4圈 n+0.5 nt (n+1)d端部并紧不磨平，支承圈为1

12、圈 n+2 nt+3d (n+3)d 弹簧的基本参数 压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系 端部型式总圈数n1自由高度H0压并高度Hb端部不并紧、磨平，支承圈为3/4圈 n+1.5 nt+d (n+1) d端部并紧、磨平，支承圈为1圈 n+2 nt+1.5d (n+1.5)d端部并紧、磨平，支承圈为1+1/4圈 n+2.5 nt+2d (n+2)d 弹簧的基本性能和设计要求 低压断路器常用弹簧的设计计算低压断路器常用弹簧的设计计算 弹簧材料的许用应力 及 应按负荷性质确定。 弹簧按负荷性质分为三类： 类：受变负荷作用，次数在106 次以上的弹簧； 类：受变负荷作用，次数在103 105次或冲击

13、负荷的弹簧； 类：受变负荷作用，次数在103 次以下的弹簧。 碳素弹簧钢丝的级别： B级：用于低应力弹簧，钢丝直径d0.0813.00mm C级：用于中等应力弹簧，钢丝直径d0.0813.00mm D级：用于高应力弹簧，钢丝直径d0.086.00mm PBP 常用弹簧的设计计算 低压断路器常用弹簧材料及主要性能 性 能 类 别 碳素弹簧钢丝 B、C、D 级 不锈钢丝1Cr18Ni9许用切应力p Mpa 类 0.3 324 类 0.4 432 类 0.5 540许用弯曲应力 Mpa 类 0.5 540 类 0.625 677剪切弹性模量 G Gpa 0.5d4 81.578.5 71.5 d4

14、78.5 弹性模量 E Gpa 0.5d4 204202 193 d4 197 推荐使用温度 40120 -250300 特性及用途 强度高、加工性能好，淬透性差，适用于做小弹簧，或要求不高的大弹簧耐腐蚀、耐高低温，有良好的工艺性,不能用淬火的方法硬化。适合做小弹簧。 BPbbbbb 常用弹簧的设计计算圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 A) 已知弹簧参数：钢丝直径、有效圈数、弹簧中径 求弹簧刚度和弹簧力（工作负荷） 弹簧刚度 P = (N/mm) G 剪切弹性模量 （Gpa） d 钢丝直径 (mm) D 弹簧中径 (mm) n 有效圈数 弹簧力P = P h (N) h 工作行程 (mm)nD

15、Gd348 常用弹簧的设计计算B) 按所需弹簧力（工作负荷）和使用场合确定弹簧参数 最大工作负荷 P 给定或由下式计算： P= p （N） (类弹簧) P= p （N） (类弹簧) P= p （N） (类弹簧) p 许用切应力 （Mpa） K 曲度系数 查表或按下式计算： K = + KDd83KDd83KDd834414CCC615. 0 常用弹簧的设计计算 C 旋绕比 查表或按下式计算： C = D 弹簧中径 （mm） D = D d D 弹簧外径 (mm) 弹簧直径 d d = 1.6 (mm) 有效圈数 n n = 总圈数 n12dD2 pKCPn348DPGdFnn 常用弹簧的设计计

16、算 工作极限载荷 Pj Pj = j （Mpa） （j极限剪切应力） 类: j 1.12 p 类: j 1.25 p 类: j 1.67 p 最大工作载荷下的变形Fn 给定或按下式计算： Fn = (mm)KDd83PPn 常用弹簧的设计计算 圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧 圆柱螺旋拉伸弹簧分有初应力和无初应力两种。采用具有初应力的拉伸弹簧主要是为了减小弹簧的重量和工作尺寸。这种弹簧的特点是具有一段假象的变形量X，即在自由状态下具有一定的初拉力，当承受载荷时，首先要克服相当于假象变形量X的初拉力,弹簧才开始伸长，即在同样的拉力下，弹簧实际变形尺寸较小。 外形尺寸相同的拉伸弹簧，在有无初应力的

17、情况下，刚度相同。 拉伸弹簧的初应力 取决于材料、材料直径、弹簧指数和加工方法。 用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧当圈与圈之间相互接触均有一定的初应力 ，如不需要初应力时，各圈间应有间隙，经淬火的弹簧，没有初应力。对应于初应力的拉伸负荷，即为初拉力。00 常用弹簧的设计计算A) 已知弹簧参数：钢丝直径、圈数、弹簧中径，求弹簧刚度和弹簧力 无初拉力的拉伸弹簧计算方法与压缩弹簧相同。 有初拉力的拉伸弹簧计算方法如下； 弹簧刚度 P (N/mm) 初拉力 （N） G 剪切弹性模量 （Gpa） d 钢丝直径 (mm) D 弹簧中径 (mm) n 有效圈数 材料初应力 （Mpa） K 弹簧曲度系数 弹

18、簧力P P h (N) h 工作行程 (mm)nDGd348038KDd00P 常用弹簧的设计计算B) 按所需弹簧力和使用场合确定弹簧参数 无初拉力的圆柱螺旋拉伸弹簧，其最大工作负荷、曲度系数K、弹簧直径d、工作极限载荷、最大工作载荷下的变形等的计算方法与压缩弹簧相同。 拉伸弹簧的有效圈数与钩环的的配置关系： 当有效圈数的尾圈为半圈数时，两端的钩环在一个平面内，钩口 方向相反； 当有效圈数的尾圈为整圈数时，两端的钩环在一个平面内，钩口 方向相对； 当有效圈数的尾圈为1/4圈和3/4圈时，两端的钩环在相互垂直的 平面内。 圆柱螺旋拉伸弹簧的有效圈数和钩口尺寸可查表。 常用弹簧的设计计算有初拉力的

19、拉伸弹簧的参数计算或选用： 最小工作负荷 1.2 弹簧刚度 P 最小工作负荷下的变形 极限工作负荷下的变形 1P0PnDGd348XFPnn1F01pPP jF0pPPj 常用弹簧的设计计算 圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧 A) 已知弹簧参数：钢丝直径、圈数、弹簧中径 求弹簧刚度和弹簧扭矩 扭转弹簧的刚度 M = 其中 M 扭转弹簧的刚度（Nmm/1） E 弹簧材料的弹性模量（N/mm） 扭转弹簧的扭矩 M = M 或 M = 2 M （双扭簧） 扭转弹簧的扭转角 DnEd36704 常用弹簧的设计计算B) 按所需弹簧扭矩和使用场合确定弹簧参数 最大工作扭矩Mn 给定或由下式计算： Mn =

20、 （N mm） 类弹簧的许用弯曲应力 类弹簧的许用弯曲应力 K1 曲度系数 查表或按下式计算： K1= C 旋绕比 查表或按下式计算： C = D 弹簧中径 （mm） D = D2d D2弹簧外径 (mm) 4414CCdD1310KdBPBPBP 常用弹簧的设计计算 弹簧直径 d = (mm) 有效圈数 n= 最大工作扭矩下的扭转角 工作极限扭矩 Mj = (Nmm) 极限弯曲应力 类: 0.8 类: 0.625 最大工作扭矩下的扭转角 给定或按下式计算： = (mm)DMEdnn36704nnn3110BPnKM1310KdjjjjdEKDnBP1360bb 弹簧的热处理 弹簧的热处理与弹

21、簧的直径和加工工艺相关。 弹簧按其加工成形时的条件分为冷成型弹簧和热成型弹簧两种。 热成型弹簧 当弹簧所用材料直径大于12mm时，由于冷绕成型困难，多数用热绕工艺，对于直径在510mm，旋绕比比较小的弹簧，有时也采用热绕。 热成型弹簧需进行淬火、中温回火处理，目的是要得到较高的弹性极限、强度极限和疲劳极限。 冷成型弹簧 弹簧线材在常温下加工成型称为冷成型。冷成型弹簧所用的材料一般分为两大类：一类为硬状态材料，冷成型后只需进行消除因冷成型时所产生的内应力；另一类为软状态材料，即在冷成型后需进行淬火和回火处理。 低压断路器和接触器的弹簧直径在3mm以下，一般采用经过强化处理的硬状态钢丝，冷卷成型，

22、性能基本能达到使用要求，所以不需要进行高温淬火和中温回火处理，但应进行低温回火，以消除冷成型时产生的内应力，并起到定型的作用，还可使其弹性极限和强度有所提高。 弹簧的热处理 弹簧的热处理与弹簧的直径和加工工艺相关。 弹簧按其加工成形时的条件分为冷成型弹簧和热成型弹簧两种。 热成型弹簧 当弹簧所用材料直径大于12mm时，由于冷绕成型困难，多数用热绕工艺，对于直径在510mm，旋绕比比较小的弹簧，有时也采用热绕。 热成型弹簧需进行淬火、中温回火处理，目的是要得到较高的弹性极限、强度极限和疲劳极限。 冷成型弹簧 弹簧线材在常温下加工成型称为冷成型。冷成型弹簧所用的材料一般分为两大类：一类为硬状态材料

23、，冷成型后只需进行消除因冷成型时所产生的内应力；另一类为软状态材料，即在冷成型后需进行淬火和回火处理。 低压断路器和接触器的弹簧直径在3mmm以下，一般采用经过强化处理的硬状态钢丝，冷卷成型，性能基本能达到使用要求，所以不需要进行高温淬火和中温回火处理，但应进行低温回火，以消除冷成型时产生的内应力，并起到定型的作用，还可使其弹性极限和强度有所提高。 弹簧的热处理 钢丝直径（mm） 加热温度（） 保温时间(min) 0.8 220250 17 0.81.2 270 280 20 1.22.0 25 2.04.0 35 4.06.0 451）回火规范 回火的温度及保温时间按材料的种类和直径而定。

24、碳素弹簧钢丝的回火温度一般在250300之间，钢丝直径较小时，要用较低的温度及较少的时间。 弹簧的热处理o对于拉伸弹簧回火时，要考虑是否有初压力要求，有初压力要求的拉伸弹簧在回火时，温度按上表规范降低1030。o经回火后的弹簧如再经几何尺寸修整，则必须进行二次回火。二次回火时加热温度不变，而保温时间要缩短为原规程的1/3，如拉伸弹簧和扭转弹簧在圆钩和臂加工完成后都要进行二次回火。2）回火设备 目前低压电器行业弹簧回火采用的设备主要有硝盐炉和高温鼓风电炉。 弹簧的表面防腐处理弹簧的表面防腐处理 大多数弹簧在不同程度的腐蚀性环境中工作，由于化学和电化学的作用，材料表面受到腐蚀，使弹簧过早损坏，所以

25、必须进行防腐处理。 弹簧的防腐处理就是用抗腐蚀材料覆盖在弹簧表面，形成保护层，保护层将弹簧与腐蚀介质隔开，达到防腐的目的。 常用的弹簧防腐方法有三种： 电镀 氧化 涂漆 弹簧的表面防腐处理 电镀电镀 电镀是获得金属表面保护层的有效方法，也是弹簧防腐处理的主要方法。其特点是镀层的附着力好，结晶细致紧密，孔隙率小，厚度均匀，有良好的物理、化学及力学性能。 电镀有镀锌、镀镉、镀铜、镀铬、镀锡和镀镍等，应用最普遍的是镀锌。 弹簧镀锌表面一般为白色或彩色。锌在干燥的大气中几乎不发生变化。在潮湿的空气或含有二氧化碳的水中会生成氧化锌白色薄膜，这层薄膜能起到缓蚀的作用。镀锌层适合各种大气条件下使用，但在含有

26、酸、碱、盐的水溶液中及在纯海洋性大气条件下，锌的抗腐蚀性能力较差。 镀锌的特点是成本低、工艺简单、效果较好，因此被广泛用于大气中使用的中小型弹簧的防腐。 弹簧镀锌后要经过钝化和去氢处理，以提高弹簧的防腐能力和避免氢脆。特别是小弹簧更容易发生氢脆，在酸洗和电镀时一定要特别注意。 弹簧的表面防腐处理氧化处理氧化处理 弹簧的氧化处理也称为发兰或发黑。氧化处理后，弹簧表面生成保护性的磁性氧化铁，厚度约为0.62m。由于膜薄且多孔隙，保护能力较差。所以，氧化处理只能用于在腐蚀性不强的介质中工作的弹簧防腐。 由于氧化处理成本低、工艺配方简单，生产效率高，不影响弹簧的特性，所以广泛用于冷成形小型弹簧的表面防

27、腐。 除氧化处理外，还有磷化处理。磷化膜在一般大气条件下较稳定。其抗腐蚀能力比氧化处理高210倍。 弹簧的表面防腐处理涂漆涂漆 涂漆也是弹簧防腐的主要方法之一。大多在大、中型弹簧中使用，特别是热成型弹簧及板弹簧。 用于弹簧的油漆主要有：沥青漆、酚醛漆和环氧漆。 有些重要的弹簧，为了提高油漆的附着力和防腐能力，也采取先磷化后涂漆的工艺。 常用的涂漆方法是喷漆和浸漆，随着工艺技术的发展，为提高工作效率、油漆的利用率和涂漆的质量，将推广静电喷涂等新工艺。 弹簧的机械强化处理弹簧的机械强化处理 弹簧机械强化处理的目的是用机械的方法使弹簧材料内部产生与工作应力方向相反的应力，从而提高弹簧的使用寿命，目前所用的强化处理工艺主要有强压处理和喷丸处理两种。 强压处理强压处理 强压处理包括强压、强拉和强扭，对于工作应力较大，比较重要及节距较大的压缩弹簧应进行强压处理，如阀门弹簧、兵器上使用的引信弹簧等。 强压处理就是将弹簧成品用机械的方法，从自由状态强制压缩到最大工作高度或并压高度35次，使金属表面层产生塑性变形，从而得到与弹簧工作应力相反的应力。这样使弹簧在工作时，应力危险点从金