钢丝弹簧还是机械弹簧?

作者:Gary L Boehm

加里·L·伯姆，体育教师螺旋产品有限公司

金属丝弹簧早在工业革命时期就出现了，并立即确立了其价值。虽然在材料和制造上有所改进，但基本概念并没有太大变化。通常情况下，弹簧丝是热或冷卷，其末端配置在线圈丝的限制范围内，创建具有弹性的工业工具。

机械加工弹簧的功能与绕线弹簧相似，但它们的制造方法不同。虽然包括塑料在内的任何可加工材料都可以使用，但棒材金属是加工弹簧最常用的起点。首先将棒材加工成厚壁管状。然后一个螺旋槽被切割，显示多个线圈，当偏转，提供所需的弹性。

制造机械弹簧的成本超过了绕线弹簧的成本。钢丝缠绕的弹簧只需几秒钟的加工时间，而机械加工的弹簧至少需要几分钟。另外，用于创建这两种表单的机器都是高度专业化的。

弹簧成形
在钢丝缠绕的弹簧上发现的线圈通常是圆形的。有时它们是矩形的或具有圆形外径和内径表面的矩形。这后两种形式不太常见，由于成本，然而，他们提供了更高的刚度，比典型的形式更紧凑。通常使用矩形线圈，使长腿是径向的，但长腿也可以做成纵向的。

矩形电线有固定的尺寸。你可以从这些尺寸开始冒险，但成本和交货时间会增加。

加工弹簧上使用的线圈有方形、矩形(径向或纵向)和梯形。梯形线圈是用于横向弯曲和横向平移的常见弹簧。该形状允许额外的横向运动没有线圈接触。线圈的大小很容易改变，以适应弹簧的需要。没有适用的标准尺寸。

槽．在线绕弹簧上，扭转弹簧和压缩弹簧的线圈(槽)之间的空间是一致的，但压缩弹簧的端槽趋于锥度为零。这个过程被称为“闭合”两端，是由一个附加的成型过程创建的。可选的研磨使两端接近平坦。

扩展弹簧可以有从0到几乎任何尺寸的统一宽度。如果需要，线圈可以预先施加压力，使这个弹簧显示一个零槽，然而，您可能需要施加额外的力来克服线圈分离阈值。

目前,加工弹簧最低插槽约为0.020英寸。(0.51毫米)。不超过0.250英寸的更宽槽。(6.35毫米)是可能的。槽宽可以关闭接近零使用应力消除过程，但目前没有预应力可用。

线圈数．钢丝缠绕的弹簧可以制作得很长，例如吊袜带弹簧。可在进给线轴上连续钢丝的数量限制了这个弹簧的长度。根据尺寸不同，机械加工的弹簧限制在大约30个线圈，然而，很少有线圈数量超过20个。

在一个线簧时，导线的整个长度有助于弹性，因为力和力矩是端到端分布的，两端提供与相邻设备的接口。

加工弹簧是不同的。挠性——提供所需弹性的部分——在端部之间被束缚，端部提供结构和连接。与弯曲部分相比，末端部分具有无限的刚度。此外，槽不锥度为零在末端;它们保持在完全宽度或初始宽度，就像在自由长度时看到的那样。因此，为了达到相同的弹性性能，加工弹簧可能需要比线材弹簧更长。

精度．一般来说，机械弹簧比钢丝弹簧更容易制造出精确的尺寸。钢丝缠绕和机械加工的弹簧都能提供10%的精度。加工弹簧可以提供1.0%的精度。当使用统计方法进行选择时，缠绕弹簧也可以。0.1%的精度可能无法从绕线弹簧获得，只能从使用后处理技术的机加工弹簧获得。

成本．生产时间是影响成本的主要因素。线绕弹簧生产时间短。机加工弹簧无法达到线材产品的低成本。如果能找到一种简单而廉价的机械弹簧，大量生产，每只成本不到2美元，那将是令人惊讶的。然而，加工弹簧提供了验证其使用的特性。这些特征包括;集成的连接点，更高的精度，减少装配和采集的工作量，安静和清洁的触点。

通常，这些优点中至少有一个是必要的，以证明机械弹簧的选择是合理的。

材料的选择
线绕弹簧通常由中高强度钢、镍合金、钛和不锈钢制成，这些钢都经过了热处理和冷还原。机械弹簧使用类似的材料。弹簧丝和延展性棒是常用的缠绕弹簧，但不能用于机械加工弹簧。一个完整的缠绕弹簧将保留不同数量的残余应力。虽然应力消除过程可以减少伤口产品中的残留物，但总和不是零。

在自由状态下有残余应力的加工弹簧将受到自由态变形的影响，这是不可取的。经过固溶退火的材料抵抗残余应力，未经冷还原或淬火的热处理材料也能抵抗残余应力。淬火本身会引起残余应力。因此，较好的选择是马氏体耐腐蚀钢(CRES)和马氏体钢。

典型的机械加工弹簧材料包括中高强度的CRES，如17- 4ph每AMS5643, 15-5PH每AMS5659, CC455每AMS5617，以及非常高强度钢，如C300每AMS6514。

其他好的材料包括7075-T6铝(高强度)，7068-T6511铝(非常高强度)，38644 Beta C钛(非常高强度和耐腐蚀)，Delrin 100(可切削塑料)和Ultem 2300(可切削塑料)。任何可加工的材料，只要能不产生残余应力，都是用于加工弹簧的有效候选材料。

改进弹簧材料
钢丝弹簧常被喷丸以增强抗疲劳能力。线圈之间的间隙通常足够宽，可以让子弹通过，并调节对面线圈的内部，以及线圈的外部。

机加工弹簧的线圈槽往往太小，无法通过射孔。因此喷丸不常见。抗疲劳性通常来自于加在槽端上的应力释放孔和槽。你也可以选择高强度，抗疲劳的材料。

钢丝弹簧可以镀上锌和镍以防止腐蚀。电镀机械弹簧是不常见的，因为锋利的边缘角，通常没有得到充分的覆盖。CRES和钛材料的使用为大多数加工弹簧应用提供了良好的防腐保护。铝加工弹簧通常经过阳极处理或涂覆以防止腐蚀。

机械弹簧尺寸受加工实用性的限制。最小的弹簧约为0.100英寸。(2.54毫米)直径，最大的是6.0英寸。(152毫米)。最大长度约24英寸。(610毫米)，但这适用于1.0英寸。(25.4毫米)至3.0英寸。(76毫米)直径弹簧。直径更小或更大的弹簧需要更短。

制作附件
线绕弹簧附件包括压缩弹簧、夹端或自然弹簧、闭合弹簧、闭合弹簧和接地弹簧。封闭和接地附件稍贵一些，但它们提供与弹簧中心线最垂直的表面。

虽然钢丝弹簧仅限于使用钢丝形式的附件，但创造力提供了许多成本有效的版本。加工过的弹簧可以具有任何可以加工的特性。

压缩弹簧是完全加工的。两端可以是平的，并且非常垂直于弹簧的纵轴。延长弹簧可以有加工螺柱，螺纹孔和法兰。

扭力弹簧可以有类似于钢丝弹簧的粗犷的刺。唐的使用提供了扭转弹簧上的力矩。要做到这一点，就需要在远处施加一个力。弹簧提供力矩作用，但需要额外的力的反应。通常情况下，扭转弹簧使用唐摩在外径或内径上的指南上解决这个力。

在机械扭转弹簧中，一对纯偶可以提供力矩。纯耦合可以来自双齿(外部、内部和纵向)、槽、样条(内部和外部)和螺栓圆配置。我们也可以通过在线圈侧的积分力矩约束来解决力矩。

多个开始
线绕弹簧仅限于单次启动配置，而机加工弹簧可以处理单次和多次启动。在弹簧的世界中，双启动加工弹簧从基本功能发展到机械装置固有功能的概念。

多个启动弹簧允许纯力反应。力矩是由发生在弹簧圈宽度中心处的压缩力或伸展力产生的，该中心距离弹簧中心线较远。在多个启动弹簧中，这些力矩在弹簧体内趋于零。因此，具有多次启动的压缩和伸展弹簧提供弹性运动而不需要校正力矩。在单启动弹簧，缠绕或加工，这些力矩必须在弹簧和提供力和挠度的部件之间的界面上解决。

多个启动弹簧结构统一了侧向弯曲和侧向平移力，以及给定侧向挠度时围绕弹簧周长的力矩。高达5个的构型被用来统一加工弹簧的侧向反应。多次起动也增加了加工弹簧的长度。如果发生故障，剩下的线圈(s)提供一些功能，尽管降级由于丢失的线圈。

用于压缩和拉伸的机械弹簧和线绕弹簧的应力主要是扭转剪切。最大应力位于弹簧ID和线圈两侧。在弹簧外径上发现最大应力是非常罕见的。尖角处的应力在功能上非常低。

用于压缩的加工弹簧可能受益于应力释放孔(SRH)或插槽末端的拉长孔，但这是你的决定。机械拉伸弹簧几乎总是需要一个SRH，或等效的，在槽端，以减轻有害的拉应力的影响。如果没有SRH，弹簧的性能必须降低，以避免由线圈末端的拉应力升管引起的失效。

压缩和拉伸弹簧的线性受五个因素的影响:在自由长度的弹性变形过程中弹簧的几何变化，材料中的残余应力，挠曲过程中线圈接触的增加(只有压缩弹簧)，边界条件固定，挠曲过程中弹簧旋转。

当螺旋弹簧被压缩和拉伸时，会发生端到端扭曲。有三种方法可以消除机械弹簧的扭转变形。使用任何可用的附件技术固定弹簧的末端。或者，约束弹簧端部以增加弹性速率。或者，使用两个同心弹簧，一个是右手弯曲，另一个是左手弯曲。当设计得当时，内部弹簧的扭转会抵消外部弹簧的扭转。一个选择是在一个弹簧空白上放置两个弯曲，一个是右手，另一个是左手。这种结构允许两个弯曲体之间的接口扭转，但两端不扭转。

机械加工的弹簧具有恒定的槽尺寸，因此，在两端存在一个不闭合的槽宽度。当这个尺寸被加到固体结构端，你会发现用于压缩的机械弹簧比等效的钢丝弹簧长。这意味着加工弹簧不能配置为提供与压缩用钢丝弹簧相同的性能。因此，在压缩弹簧中，等效加工弹簧总是比线材弹簧长。

具有多次启动的压缩和拉伸加工弹簧在共振运行的系统中是成功的。这一成功的特点包括低公差弹性，连续的槽尺寸(在任何时候没有接触线圈末端保证干净和安静的操作)，内部解决力矩和均匀的交叉轴刚度。

当考虑任何压缩弹簧时，回顾静态不稳定性(屈曲)的问题。随着线圈数量的增加，这个问题变得更加普遍。由于其固有的稳定性，延长弹簧不受屈曲影响。

用于扭转的机械弹簧
通常，扭转加工的弹簧比等效的线材弹簧稍长一些。这些弹簧受益于附件，然而，他们不同于钢丝扭转弹簧，线圈ID可以减少，以增加刚度扭转率。增加钢丝扭转弹簧的刚度需要改变基本配置，如外径、内径、钢丝尺寸或线圈数量，或改变钢丝形状。电线有矩形和梯形两种截面。对于较小的内径弹簧，一般选择梯形截面，以便后绕截面接近矩形。

如果您想使扭转加工弹簧的刚度加倍，则加倍线圈厚度或采用双启动配置，使用原始的线圈厚度进行两次启动。双启动弹簧会提供更大的刚度，但它也会更昂贵，更长时间，并可能经历静态不稳定(屈曲)。

屈曲在扭转弹簧中很重要，当线圈数增加而线圈宽度减小时，屈曲就成为一个问题。应分析上卷和松放方向的屈曲。

当弹簧发生上卷挠度时，最大拉梁应力位于外径上;相反，内径上的应力处于最大压缩状态。当弹簧被放松时，应力是相反的。关键是在应力最大的地方不能有刻痕或切口。这些缺陷会增加应力，并可能引发裂缝。出于同样的原因，加工的扭转弹簧应该包含应力释放孔或槽，以帮助减轻“应力上升”，因为线圈部分变成了弹簧末端的固体结构部分。

如果加工过的弹簧在上弦和放弦时受到相同的挠度，那么在放弦时的应力将相当高。几何学导致了这种情况，这是不可避免的。

如果一个弹簧锚定在一端，而另一端受力矩影响，则这种荷载情况被标记为横向弯曲。虽然有可能使金属丝弹簧侧向弯曲，但加工弹簧更常用，因为它们有许多附件选项。侧向弯曲弹簧很少考虑屈曲问题。

侧向平移发生在弹簧的一端被锚定，另一端被一个力加一个力矩侧向位移，以确保弹簧的端面保持平行。由于附件的选择，这种偏转更适合加工弹簧。同样，侧向平移弹簧屈曲也很少引起注意。

包裹弹簧离合器一度是运动控制系统的主要部件，但随着电子电机控制的增长，包裹弹簧离合器的需求已经下降。然而，航空电子飞行控制等市场更喜欢这些设备，因为它们的非电气需求和坚固的性质。

包簧离合器的功能主要有两种。通过选择旋转方向和连接或断开连接，它们在转矩线中连接和断开转矩传递。航空电子工业有一个叫做No Back的组件，它限制转矩线中传递的转矩量，用于保护飞行控制免受损坏和过转矩的情况。

计算一下
许多分析工作是由A. M. Whal、S. P. Timoshenko和J. N. Goodier等专家完成的。SAE在弹簧设计手册AE21、弹簧制造商协会和其他方面提供设计指导。在很大程度上，所有这些工作提供了金属丝积的闭合方程。由于线材弹簧和机械弹簧之间的几何形状可能是相似的，因此尝试使用这两个方程集并不罕见。

然而，对于加工过的弹簧，闭合形式的方程可能并不完全适用。这些方程没有考虑到钢丝弹簧的所有边界条件和实际几何形状。位移影响几何形状，必须包括在计算中。

加工弹簧的闭合形式解可能不准确。作为一个普遍的规则，当线圈的数量少于三个或线圈的边长比超过两个时，方程的准确性下降。由于这些原因，与加工弹簧有关的弹性和应力计算几乎总是需要高质量的有限元分析。

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