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弹簧(英文译为spring),从物理力学的角度上来定义为:弹簧是利用特定材料的弹性和结构特点,使之变形与载荷之间能保持规定关系的一种弹性元件。在现代工业生产中主要应用的学科领域:机械工程、机械零件和五金弹簧。简单来讲,弹簧就是一种利用弹性来工作的机械零件,一般是由弹簧钢材质制成,用于控制机器部件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等,广泛应用于机器、仪器仪表、机械工程等领域中。
由于现代工业生产对弹簧的种类和所起的功能作用要求越来越多样化,其弹簧的种类也是愈复杂多样。日常中比较常见的弹簧主要按以下几种方式分类:按受力性质可把弹簧分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等;按其形状可分为普通圆柱弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、截锥涡卷弹簧以及扭杆弹簧等;若按制作过程又可分为冷卷弹簧和热卷弹簧。
日常中用的比较多是普通圆柱弹簧,由于这类制造结构简单,且可根据受载情况制成各种型式,故应用范围最广。弹簧的卷制材料一般来说应具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及良好的热处理性能等,如常用的材质主要有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、镍合金和橡胶等。弹簧的制造流程方法有冷卷法和热卷法两种,其中弹簧钢丝直径小于8毫米的一般用冷卷法;直径大于8毫米的用热卷法。此外有些弹簧在卷制成型后还要进行强压或喷丸处理,由此可提高弹簧的承载负荷能力。
工业生产中人们通常是按弹簧的受力性质对其进行分类和命名,下面列举几种常用的弹簧,将其原理、受力情形及应用领域解析进行对比。
其一,扭转弹簧,即扭簧,它利用杠杆的原理,通过对材质柔软、韧度较大的弹性材料的扭曲或旋转,使之具有极大的机械能。它是承受扭转变形的弹簧,它的工作部分也是各圈或是紧密围绕或是分开围绕。扭转弹簧的端部结构是加工成各种形状的扭臂,而不是勾环,由单扭至双扭,乃至各种扭杆之变形,得依设计成型。扭转弹簧常用于机械中的平衡机构,在汽车、机床、电器等工业生产中广泛应用。
其二、拉伸弹簧,即拉簧,它是承受轴向拉力的螺旋弹簧。拉伸弹簧一般都用圆截面材料制造,在不承受负荷时,拉伸弹簧(数控弹簧成型机)的圈与圈之间一般都是并紧的没有间隙。利用拉伸后的回弹力(拉力)工作,用以控制机件的运动、贮蓄能量、测量力的大小等,广泛用于机器、仪表中。 其钩的形式有侧钩拉簧,长钩拉簧,英式钩拉簧,德式钩拉簧,半圆钩拉簧,鸭嘴钩拉簧等等,其材料有不锈钢、琴钢、高碳钢、磷铜、油回火合金弹簧钢等。
其三、压缩弹簧,即压簧,它是承受轴向压力的螺旋弹簧(数控压簧机),弹簧一般为等节距的,压缩弹簧的形状有:圆柱形、圆锥形、中凸形和中凹形以及少量的非圆形等,压缩弹簧的圈与圈之间有一定的间隙,当受到外载荷时弹簧收缩变形,储存变形能。
其四、碳纳米管弹簧,它的直径可以达上百微米,而长度可以达几厘米,其纺丝结构具有广阔的应用前景,有望应用于可伸缩导体、柔性电极、微型应变传感器、超级电容器、集成电路、太阳能电池、场发射源、能量耗散纤维等领域,为制备出肉眼可见的碳纳米管电子器件提供了可能,还有望应用于医疗器械,比如拉力传感绷带等。这种新型结构还可以发展成具有多功能的碳纳米管纤维复合材料加以利用。
弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件,弹簧在受载时能产生较大的弹性变形,把机械功或动能转化为变形能,而卸载后弹簧的变形消失并回复原状,将变形能转化为机械功或动能。其主要功能体现如下几个方面: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。
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