彈簧無處不在，從珠寶扣到大型工業(yè)機(jī)器人。剛畢業(yè)的機(jī)械工程師在畢業(yè)的第一年內(nèi)遇到他或她的第一個(gè)彈簧設(shè)計(jì)問題的概率不是100%，但相當(dāng)高。

大多數(shù)情況下，在原型階段直接制作定制彈簧是不現(xiàn)實(shí)的。我們推薦一種方法，從需求收集開始，找到較接近的庫存彈簧，在生產(chǎn)中創(chuàng)建定制彈簧。請(qǐng)繼續(xù)閱讀此方法每個(gè)階段的注意事項(xiàng)。

負(fù)載條件

識(shí)別負(fù)載條件是每個(gè)彈簧應(yīng)用問題的起點(diǎn)。有四個(gè)主要考慮因素。

1. 載荷類型：是壓縮、拉伸還是扭轉(zhuǎn)？

所有彈簧，無論是盤繞的還是扁平的，都以以下三種方式之一工作。但是，對(duì)于應(yīng)該使用哪種類型，有一些靈活性。我們已經(jīng)看到壓縮彈簧和拉伸彈簧在扭力彈簧可能是更明顯選擇的情況下工作。例如，X-box控制器在觸發(fā)按鈕中使用扭力彈簧進(jìn)行回彈，但較新的任天堂開關(guān)操縱手柄使用兩個(gè)壓縮彈簧代替。

2. 較大撓度（行程）

知道較大撓度會(huì)在幾何上縮小彈簧選擇的范圍。

在壓縮彈簧中，較大撓度必須小于彈簧自由長度（未壓縮）與其實(shí)體長度（完全壓縮）之間的差值。必須預(yù)加載彈簧，使其初始位置短于自由長度。

延長彈簧的額定工作長度為較大工作長度，超過該長度后，彈簧有永久變形的風(fēng)險(xiǎn)。較大行程必須小于延伸彈簧的實(shí)心長度（未延伸）與其較大安全工作長度之間的差值。必須預(yù)加載彈簧，以便安裝時(shí)彈簧比其實(shí)心長度長。

3. 較大負(fù)載，或所需負(fù)載

有時(shí)，我們會(huì)被賦予彈簧必須承受的載荷，而不會(huì)被完全壓縮或延伸到不安全的長度，例如為蹦床選擇彈簧。

其他時(shí)候，我們會(huì)根據(jù)用戶的感覺來選擇彈簧，比如為夾子選擇一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧。了解負(fù)載或響應(yīng)有助于我們確定彈簧速率。

4. 所需的負(fù)載：恒定速率、恒定力還是可變速率？

這決定了我們將使用哪種類型的彈簧：恒定直徑的圓柱形螺旋拉伸彈簧與時(shí)鐘彈簧。

材料考慮

為您的彈簧選擇材料取決于負(fù)載條件和操作環(huán)境。

在螺旋彈簧中，我們較關(guān)心的是材料的剛度模量或剪切模量（G），而在平板彈簧中，彈性模量或楊氏模量（E）更重要。這些屬性會(huì)影響彈簧速率。

高循環(huán)頻率應(yīng)用要求材料具有良好的抗疲勞性，如音樂線。當(dāng)負(fù)載為間歇性負(fù)載時(shí)，可接受成本較低的選項(xiàng)，如硬拉鋼絲。

工作環(huán)境對(duì)彈簧材料的選擇有很大影響。環(huán)境的溫度、濕度和腐蝕性會(huì)限制材料的選擇。正如預(yù)期的那樣，304和17-4PH等不銹鋼絲具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，但冷拔鋼絲則沒有。然而，表面處理也可以提高耐腐蝕性，這可能比在較大尺寸的彈簧中使用成本較高的材料更經(jīng)濟(jì)。

每種金屬都有一個(gè)較高工作溫度額定值。大多數(shù)鋼絲不能在高于300°F的溫度下使用，這就是諸如鉻鎳鐵合金等外來金屬的來源。

我們發(fā)現(xiàn)在電氣應(yīng)用中有相當(dāng)數(shù)量的彈簧觸點(diǎn)。鈹銅由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性，往往用于這些應(yīng)用中。然而，它們并不意味著要循環(huán)加載。

安裝要求

每種類型的彈簧，無論是拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)還是其他，都可以在各種端部條件下使用。

壓縮彈簧有四種基本類型的端部。開放、不接地端的成本較低，但接地端的穩(wěn)定性更好。

拉伸彈簧的兩端往往都有鉤子或孔眼，但鉤子也可以由不同的材料制成并連接。全環(huán)、半環(huán)和末端鉤過中心樣式是較常見的現(xiàn)成末端條件。

扭轉(zhuǎn)彈簧的端部條件基于支腿的長度和它們之間的角度。以下是基本類型的圖示。

庫存彈簧只是較流行的配置，但如果與彈簧配合的零件是定制的，那么您仍然有很大的靈活性。彈簧供應(yīng)商可以輕松地批量提供定制的條件。

為原型設(shè)計(jì)選擇彈簧

通�？梢园磶缀螆D形、荷載條件和材質(zhì)進(jìn)行搜索。我喜歡先按較大撓度和較大載荷進(jìn)行過濾，因?yàn)樗鼈儾惶�容易協(xié)商。

從原型到生產(chǎn)

彈簧制造很像CNC銑削或CNC車削。對(duì)于螺旋螺旋彈簧的生產(chǎn)，彈簧供應(yīng)商需要滿足幾何要求，如鋼絲直徑、平均線圈直徑、線圈數(shù)量和端部條件，將所有這些轉(zhuǎn)化為CNC線成形機(jī)的程序，然后對(duì)彈簧進(jìn)行盤繞和熱處理。大多數(shù)彈簧供應(yīng)商也可以根據(jù)關(guān)鍵要求設(shè)計(jì)彈簧。

與其他類型的CNC加工類似，設(shè)置成本高，而單位生產(chǎn)成本低；這就是為什么經(jīng)濟(jì)訂單數(shù)量從幾百個(gè)單位開始。

因此，在原型設(shè)計(jì)過程中，工程師通常會(huì)選擇與其需求緊密匹配的庫存彈簧，然后對(duì)定制設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。這樣，您就可以精確地獲得所需的端部條件、彈簧剛度和公差。

必須注意鋼絲直徑與平均線圈直徑的比率。該比率d/D稱為“彈簧指數(shù)”。彈簧指數(shù)越小，制造彈簧就越困難，單位成本也會(huì)相應(yīng)增加。彈簧指數(shù)在5到10之間，是一個(gè)簡單、經(jīng)濟(jì)的彈簧。

主要要點(diǎn)

當(dāng)您的設(shè)計(jì)需要彈簧時(shí)，首先確定載荷條件。在原型設(shè)計(jì)中，從現(xiàn)成的彈簧開始。使用“較大撓度”和“較大載荷”作為起點(diǎn)來過濾庫存彈簧目錄中的彈簧，然后使用“彈簧速率”或其他幾何約束縮小選擇范圍。當(dāng)您準(zhǔn)備投入生產(chǎn)時(shí)，請(qǐng)與彈簧供應(yīng)商合作，根據(jù)您的具體規(guī)格對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)。