弹簧的种类、用途与性能特点

任务导引

你能列举哪些地方需要使用弹簧吗？分别有什么作用？

图2.5.1　各类弹簧

任务要求

（1）熟悉弹簧在机器中的作用，了解各类弹簧的应用场合；

（2）了解圆柱弹簧的结构；

（3）了解空气弹簧的结构及应用。

任务实施

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能，或把变形能转变为机械功或动能，用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等。金属弹簧一般用弹簧钢制成，广泛用于机器、仪表中。

1.弹簧的主要功能及应用

（1）控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧离合器中的控制弹簧等。

（2）吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。

（3）储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。

（4）用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。

2.弹簧的类型

按受力性质，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧；按形状可分为圆柱形螺旋弹簧、圆锥形螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧等；按材料可分为金属弹簧和非金属弹簧。常用金属弹簧的主要类型、特点及应用如表2.5.1所示。

表2.5.1　金属弹簧的主要类型特点及应用

3.弹簧的结构、参数和尺寸

常见的圆柱形螺旋弹簧是用弹簧钢按螺旋线卷绕而成，因其制造简便，所以应用广泛。

1）螺旋弹簧的端部结构

（1）圆柱形压缩螺旋弹簧。

如图2.5.2所示为常用的圆柱形压缩螺旋弹簧端部形式，图（a）Y-I型为两端面与邻圈并紧、磨平；图（b）Y-Ⅱ型为两断面锻扁并与邻圈并紧，主要用于受交变载荷或对垂直度要求较高的重要弹簧；图（c）Y-Ⅲ型为两端面与邻圈并紧但是不磨平，主要用于弹簧直径较大的次要弹簧。

图2.5.2　圆柱形压缩螺旋弹簧端部的形式

（2）圆柱形拉伸弹簧。

图2.5.3所示为圆柱形拉伸螺旋弹簧端部的结构形式，空载时，弹簧各圈相互并拢，并在端部装有挂钩。图（a）为L-1型，图（b）为L-Ⅱ型，挂钩直接由弹簧弯绕而成，制造方便，应用很广，但因在挂钩过渡处产生很大的弯曲应力，故只宜用于弹簧丝直径d≤10mm的不重要场合；图（c）为L一Ⅶ型，弹簧长度可以调节，但是结构复杂，主要用于弹簧丝较粗、载荷较大的场合；图（d）为L-Ⅷ型，挂钩弯曲应力小，用于冷卷簧。

弹簧常用名词诠释

图2.5.3　圆柱形拉伸螺旋弹簧端部的结构形式

弹簧常用的符号和单位(www.xing528.com)

2）弹簧的参数和尺寸

圆柱形螺旋弹簧的主要参数有弹簧丝直径d、弹簧中径D2、工作圈数n、弹簧节距p、螺旋升角α及旋绕比C。旋绕比C＝D/d，它是弹簧的主要参数之一，不仅影响弹簧的刚度、稳定性，还影响弹簧制造的难易程度。一般推荐取4≤C≤16，常用的值为5～8。如表2.5.2所示为圆柱螺旋弹簧的几何尺寸，其中，D2＝（D＋D1）/2＝D1＋d＝D－d。

表2.5.2　圆柱形螺旋弹簧的几何尺寸

4.空气弹簧

空气弹簧是在一个密封的容器中充入，利用气体可压缩性实现其弹性作用。

1）特点

空气弹簧在铁道车辆以及高速客车上应用广泛，相比金属弹簧，空气弹簧有着优良的弹性，且能随负荷的变化进行空气压力的调整，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷增减而变化，弹簧刚度可设计得较低，极大地改善了汽车在行驶过程中的舒适性并减少了噪声。同时，空气弹簧能够很好地隔绝高频率的震动，增加零件的使用周期。空气弹簧没有横向刚性，所以在非独立式悬架系统使用时必须增加连杆，而在独立式悬架系统使用时则放在圈状弹簧的位置。但空气弹簧悬架结构复杂、制造成本高。

2）类型

空气弹簧按气囊的结构型式可分为囊式、膜式和复合式三种。

表2.5.3　空气弹簧的结构型式

3）应用举例

现代卡车行业配备空气悬架，事实都证明，安装了空气悬架的卡车和挂车比钢板弹簧的卡车的挂车发生“磨损和裂纹”故障的情况要少得多。这就意味着，驾驶室和汽车寿命更长、运营成本更低、停运时间更少、车载昂贵电子设备故障更少。另外卡车乘坐性能更佳，这对车载货物也同样重要。配备空气悬架的卡车和挂车的货物破损率比传统悬架车辆的显著降低，货物破损投诉也大为减少。

CRH5转向架二系悬挂装置上盖板通过上盖心轴与上枕梁的定位圈和附加空气室相通，下板组成与构架上的空气弹簧座相连，如图2.5.5所示。

图2.5.4　装有空气悬架的卡车

图2.5.5　CRH5转向架二系悬挂装置空气弹簧

某客车空气弹簧系统主要由空气弹簧、高度控制阀、差压阀、附加气室组成。工作时，压缩空气由列车总风管进入空气弹簧储风缸，经过高度控制阀进入空气弹簧，当弹簧内气压充至一恒定气压时，车体升高到预定平衡位置，原理图如图2.5.6所示。

图2.5.6　客车空气弹簧系统

*5.弹簧的应用举例

弹簧的应用举例

任务拓展与反思

1.按受力性质，弹簧可分为________、________、________、________等。

2.按形状不同，弹簧可分为________、________、________、________、________等。

3.按材料不同，弹簧可分为________和________。

4.空气弹簧是在________，利用________实现其弹性作用。

5.空气弹簧按气囊的结构型式可分为________、________和________三种。

6.简述弹簧的主要功能。

7.简述空气弹簧的特点及应用场合。