第五章 彈簧 學習目標 1. 學生能瞭解彈簧的功用。 2. 學生能瞭解彈簧的種類及特性。 3. 學生能瞭解彈簧的材料及物理性質。 第五章 彈簧 學習目標 1. 學生能瞭解彈簧的功用。 2. 學生能瞭解彈簧的種類及特性。 3. 學生能瞭解彈簧的材料及物理性質。 4. 學生能正確的選用彈簧,連接彈簧。
5-1 彈簧的功用 彈簧是一種簡單的機件,應用的範圍非常廣泛。彈簧的性能,在受到負荷時,會作適量的變形,負荷移去後,則能恢復原來的形狀或位置。優良的彈簧應是一種具有高度彈性能(resilience)的彈性體。 彈簧的功用主要功用如下: 一、吸收震動 二、產生作用力 三、儲存能量 四、力的量度
一、吸收震動 彈簧可吸收或緩和外加的負載或衝擊力。例如機車、汽車及飛機之避震器,皆為彈簧吸收震動的應用。
二、產生作用力 彈簧可產生一種作用力,以維持兩機件間之接觸。如離合器、內燃機之閥彈簧、凸輪從動件之恢復彈簧等。
三、儲存能量 彈簧儲存的能量,可做為動力的來源。例如鐘之發條、槍的扳機、鑽床回彈把手及錶的游絲等。
四、力的量度 彈簧也能作為力的量度器。如彈簧秤及各類功率指示器等。
5-2 彈簧的種類 彈簧的種類很多,為了適應各種不同的用途,而將彈簧設計成各種不同的形狀。 彈簧若依用途之不同可分為四種:壓縮彈簧、伸張彈簧、扭力彈簧及特殊彈簧等。 彈簧若依形狀之不同可分為 5-2-1 線狀彈簧(sire spring) 5-2-2 板片彈簧(flat spring) 5-2-3 特種形狀彈簧
5-2-1 線狀彈簧 線狀彈簧常以圓形、方形或其他各種形狀之金屬線製成,如果製成螺旋形,則稱為螺旋彈簧(helical spring)。 線狀彈簧依作用方式之不同可分為: 一、壓縮彈簧 (compression spring) 二、拉伸彈簧 (tension spring) 三、扭轉彈簧 (torsion spring) 四、特殊彈簧
一、壓縮彈簧 如圖5-1所示為壓縮彈簧。壓縮彈簧用途很廣泛。彈簧每圈之間具有充分之間隙,此間隙受壓後可以縮短,當壓力消失時又回復原來長度。而為了增加彈簧的接觸面積,常把彈簧兩端磨平,如圖5-1所示。壓縮彈簧的頭端形狀,如圖5-2所示。 動畫5-1-1 動畫5-1-2 圖5-1 壓縮彈簧 圖5-2 壓縮彈簧端部形狀
二、拉伸彈簧 如圖5-3所示,為拉伸彈簧。拉伸彈簧不受拉力時,每一圈都緊靠一起,受拉力則伸張。拉伸彈簧最弱的地方是線形變化最大的地方。拉伸彈簧端頭的形狀,如圖5-4所示。 圖5-3 拉伸彈簧圖 圖5-4 拉伸彈簧端部形狀
三、扭轉彈簧 1. 螺旋扭轉彈簧 螺旋扭轉彈簧又叫螺旋扭力 彈簧。施力方向大都沿螺旋 切線方向,在圈體四周承受 扭力矩。其形狀小型較多。 廣泛用於日用品、門的樞紐 、家庭用品、電氣製品。如 圖5-5所示。 圖5-5 螺旋扭轉彈簧
2. 蝸旋扭轉彈簧 (spiral torsion spring) 蝸旋扭轉彈簧又稱蝸旋扭力彈簧。此種彈簧用於鐘錶上可儲存能量供給動力,用於機車腳踏起動器上可歸定位用。如圖5-6所示。 圖5-6 蝸旋扭轉彈簧
四、特殊彈簧 1. 單線彈簧 (simple wire spring) 單線彈簧是用線材料彎曲成所需要的形狀,材料為彈簧線。如圖5-7所示。 圖5-7 單線彈簧
2. 環形彈簧(ring spring) 如圖5-8所示。係利用彈簧鋼線製成圓圈,其交叉接口處各彎一小圓圈,用以放鬆彈簧的緊縮力,通常使用於軟管和硬管的連接處。 圖5-8 環形彈簧
5-2-2 板片彈簧 依形狀之不同又可分為下列四種: 一、疊板彈簧(lamellar spring) 二、單片彈簧 (simple plate spring) 三、錐形彈簧 (conical spring) 四、盤形彈簧 (disk spring)
一、疊板彈簧 疊板彈簧又稱葉片彈簧 (leaf spring)。在製造上必須具備有相當的強度,彈性變形量較小,能承載較大的負荷。普通用在卡車、火車等車輛的底盤上,如圖5-9所示。有時為了增加吸收能量,得到更佳的避震效果,可將兩組疊板彈簧合併作成橢圓形疊板彈簧,供火車等使用。如圖5-10所示。 圖5-9 疊板彈簧 圖5-10 橢圓形疊板彈簧
二、單片彈簧 單片彈簧係一金屬加工製成適當的形狀,且具有彈性作用的彈簧,常用於電源插座、壁上電燈開關或其他電氣開關等。如圖5-11所示。 圖5-11 單片彈簧
三、錐形彈簧 錐形彈簧是由圓鋼線或鋼片,捲成的錐狀體。多用於小空間,或用在彈性範圍內距離短的機件上,如圖5-12所示之錐形彈簧特別稱為竹筍彈簧。當壓縮時,大直徑先變形。特徵為單位容積上可吸收較大的能量。常用做重車輛的懸架彈簧或緩衝彈簧。亦可將兩個錐形彈簧大錐底連接,應用於園景用修剪鉗;小錐端連接,用於沙發、彈簧床等。 圖5-12 錐形彈簧
四、盤形彈簧 盤形彈簧又稱皿形彈簧,亦稱 貝勒維爾彈簧(Billeville),為法 國人貝勒維爾(J.Billeville)於西 元1867年發明。其形狀為圓錐 盤狀,如圖5-13所示。經由德 國DIN標準化後,歐、美、日 各國,逐漸以盤形彈簧代替傳 統式螺旋彈簧作為機械元件, 以提高機械性能。 圖5-13 盤形彈簧
盤形彈簧的特點為負荷大,行程短,組合方便,適用於空間小,負荷大之精密重機械。常作為墊片使用,當鎖緊墊有盤形彈簧之螺旋時,連接件不會因震動而發生鬆脫且可發揮彈簧的功能。如圖5-14所示,為同樣的負荷,不一樣的使用空間與重量。 圖5-14 盤形彈簧與螺旋彈簧之比較
盤形彈簧適用範圍如下: 1.動力傳達元件:如離合器、剎車系統、磁碟機、傳動軸等。 2.電氣系統傳動開關。 3.螺栓、螺絲彈性墊圈。 4.升降機、起重機、印刷機、馬達、引擎、幫浦等元件。
盤形彈簧之疊法變化很多,如圖5-15所示,說明如下: 1.同向疊法使用如圖5-15(a)。其負載大小與盤簧的片數成倍數正比(並聯法)。 2.反向疊法使用如圖5-15(b)。其壓縮行程與盤簧的片數成倍數正比(串聯法)。 3.同反向混合使用如圖1-15(c)。其負載與行程皆成倍數比例累進。 圖5-15 盤形彈簧疊法
盤形彈簧安裝時,原則上以盤簧底端朝向負荷來源方向。如圖5-16所示。盤形彈簧應用實例,圖5-17所示。 圖5-16 疊板彈簧
圖5-17 橢圓形疊板彈簧
5-2-3 特殊形狀彈簧 特殊形狀彈簧有下列三種: 一、扭桿彈簧 二、扣環(snap spring) 5-2-3 特殊形狀彈簧 特殊形狀彈簧有下列三種: 一、扭桿彈簧 二、扣環(snap spring) 三、定力彈簧 (constant-force extension spring)
一、扭桿彈簧 扭桿彈簧的兩端因需要扭轉,故製成為容易固定的形狀,如圖5-18所示。常用於汽車,尤其是小型客車的懸架用彈簧及軍用車的懸架用彈簧 圖5-18 扭桿彈簧
二、軸環 軸環分為C形環及E形環等兩類。 C形環亦可分為兩種 E形環之功用與C形環相同,但裝入或卸下較容易,如圖5-19(c)所示。 1.軸用C形環,裝於軸的溝槽中,作為軸端或其他機件的固持。如圖5-19(a)所示。 2.孔用C形環,裝於機件的孔中,作為軸承等機件的固持。如圖5-19(b)所示。 E形環之功用與C形環相同,但裝入或卸下較容易,如圖5-19(c)所示。 圖5-19 軸環 動畫5-19A 動畫5-19B
三、定力彈簧 定力彈簧如圖5-20所示,是將鋼帶(一端或兩端)捲成環狀。定力彈簧在某一變形量內,並不會影響作用力的大小。應用於電動機之電刷、凸輪從動件的接觸面、棘輪止動爪、自動販賣機之進料等處。 圖5-20 各種定力彈簧
5-3 彈簧的材料 彈簧的材料必須備具高彈性能、高疲勞限度、高抗拉強度及耐衝擊等特性。 彈簧材料依成分不同可分為 一、碳鋼與合金鋼 5-3 彈簧的材料 彈簧的材料必須備具高彈性能、高疲勞限度、高抗拉強度及耐衝擊等特性。 彈簧材料依成分不同可分為 一、碳鋼與合金鋼 二、非鐵金屬合金 三、橡皮彈簧等
一、碳鋼與合金鋼 依製造過程可分為兩大類: 1.熱處理彈簧鋼 2.加工彈簧鋼
1.熱處理彈簧鋼 是先將素材製造成形後,再以熱處理的方法使其具有彈性。熱處理彈簧鋼的種類有碳鋼與合金鋼:碳鋼以共析鋼和過共析鋼為主。合金鋼有矽錳鋼(Si-Mn鋼),錳鉻鋼(Mn-Cr鋼),鉻釩鋼(Cr-V鋼),錳鉻硼鋼(Mn-Cr-B鋼)。表5-2所示為AISI(SAE)彈簧鋼種類與其成份。
2.加工彈簧鋼 加工彈簧鋼的種類有 (1)硬鋼線 (2)琴鋼線 (3)不銹鋼線 (4)冷間壓延鋼帶 (5)不銹鋼帶等
(1)硬鋼線 硬鋼線是由硬線材於常溫狀態伸抽而成,對雜質磷、硫等不純物要求高,其含量在0.004%以下。硬鋼線種類與其成份如表5-3所示 表5-3 硬鋼線材(彈簧)種類與其成分(%) 種 類 C Si Mn P S SWRH3 SWRH4A SWRH4B SWRH5A SWRH5B SWRH6A SWRH6B 0.45-0.55 0.55-0.65 “ 0.65-0.75 0.75-0.85 0.15-0.35 0.60以下 0.30-0.60 0.60-0.90 0.040以下 0.030以下
(2)琴鋼線 琴鋼線對磷、硫、銅等不純物含量要求很嚴格,脫碳等表面缺陷要非常少,其經過韌化處理(patenting)後,具高度的伸展性能。在常溫抽成線,其機械性質良好、抗拉強度及韌性均大,是優良的彈簧材料。一般琴鋼線的抗拉強度可達350kgf/mm2。琴鋼線種類與其成份如表5-4所示。
*日本Jis規格中SWPA琴鋼線材Cu的含量0.15%以下。 表5-4 琴鋼線種類與其成分(%) 種 類 C Si Mn P S Cu* SWRS1A SWRS1B SWRS2A SWRS2B SWRS3A SWRS3B SWRS4 0.65-0.75 “ 0.75-0.85 0.85-0.95 0.60-0.70 0.12-0.32 0.30-0.60 0.60-0.90 0.50-0.80 0.025以下 0.030以下 0.20以下 *日本Jis規格中SWPA琴鋼線材Cu的含量0.15%以下。
* P~ 0.30%以下,S~ 0.030%以下,Cu~ 0.20%以下。 (3)油回火線 油回火線是把鋼材連續抽成直的冷加工線後,再用油回火者。油回火線分碳鋼與合金鋼。如表5-5所示為油回火線的種類與使用材質。合金鋼系油回火線在設計應力、耐疲勞性、耐熱性等都優於碳鋼系油回火線。 表5-5 油回火線的種類與材質 成份別分類 用途別分類 記 號 規格名 材 質 碳素鋼 一般用 SWO A SWO B JIS “ 硬鋼線材 ( SWR H 4,5 ) 硬鋼線材 ( SWR H 5,6 ) 閥瓣彈簧用 SWO V 鋼琴線材 ( SWR S 4 ) 合金鋼 SWOSM A SWOSM B 彈簧鋼 ( SUP 6,7 ) SWOCV V 彈簧鋼(SUP 10* ) * P~ 0.30%以下,S~ 0.030%以下,Cu~ 0.20%以下。
(4)不銹鋼線及鋼帶 不銹鋼用於耐蝕性及耐熱性的地方較多。彈簧用不銹鋼線,以硬質不銹鋼和冷間壓延不銹鋼帶為主。也可使用17-7PH(Ni-Cr-Mn鋼)、鋼線、鋼帶。不銹鋼彈簧成形後,在低溫退火時,其退火溫度約在400℃上下,機械性質最佳。
二、非鐵合金 此類材料製成的彈簧,大都具有良好的抗腐蝕性。常使用者有如下: 1.磷青銅:主要成分為銅、錫合金,有良好的導電性及抗腐蝕性。通常用冷捲法製成彈簧。 2.鈹銅(beryllium copper):除銅外,含鈹量約2%。具有最佳的導電性,此種材料必須用低溫冷捲法製成彈簧。 3.孟鈉(monel)合金:銅與鎳的合金,能耐溫至200℃,具有抗腐性,常帶有少許的磁性,常用於食品工業中。使用冷加工法製成彈簧。
4.K類孟鈉合金:在孟鈉合金中加入約3%的鋁,可用常溫或低溫冷加工。 5.英高鎳(Inconel)合金:此材料具耐溫性、抗腐性,在370℃以內不會有鬆弛現象。適用於在蒸氣閥彈簧、渦輪機及噴射引擎內的彈簧。 6.英高鎳“X”合金:英高鎳合金加入少許的鈦和鋁的元素,為析出硬化(precipitation-hardened)材料。耐溫程度可高達480℃仍不會有鬆弛現象。 7.鎳碳鋼:(Ni-span-C)亦為析出硬化材料。鎳碳鋼的彈性係數在-10℃~66℃間,永不變形。
三、橡皮彈簧 橡皮彈簧可分為壓縮性彈簧、伸張性彈簧、剪力彈簧及扭轉彈簧。其優點為具有高單位貯存能量及降低震幅作用,且無噪音。缺點為不耐低溫,不耐蝕及不耐疲勞。因彈性係數為不定值,故不能符合虎克定律。此類彈簧最大的用途在防止振動及吸收衝擊,作為運動的緩衝。 由於塑膠工業不斷的進步,目前有很多的樹脂材料可以用作彈簧材料,樹脂材料做的彈簧具有耐酸鹼及其他特性。
※5-4 彈簧的物理性質 一、彈簧的相關名詞 1.外徑(outside diameter):彈簧線圈之最大直徑,又稱大徑。 2.內徑(inside diameter):彈簧線圈之最小直徑,又稱小徑。 3.節徑(pitch diameter):外徑與內徑之平均直徑。 4.線徑(line diameter):彈簧線之直徑。 5.自由長度(free length):彈簧在不受外力時之全長。
6.總圈數(total coils):彈簧由一端至另一端全部的螺旋圈數。 7.有效圈數(effective coils):用以支持負載時,能有效作用之螺旋圈數。 8.撓曲(deflection):彈簧受外力作用後之變形量。常以“X”表示。 9.彈簧常數(spring constant):彈簧受外力作用時,負載與變形量之比值。常以“K”表示。 10.彈簧指數(spring index):彈簧線圈之節徑與線徑之比值。
二、彈簧的工作應力 影響工作應力大小的因素有: 1.彈簧承受負荷的形態。 2.材料成分及熱處理。 3.振動及衝力的效應。 4.腐蝕效應。 5.彈簧表面狀況。
三、鬆弛現象 (潛變現象) 1.溫度升高:溫度升高,材料會產生膨脹與軟化現象,致使彈簧限度降低。 2.負荷增加:負荷增加,如果時間過長,則彈簧也會產生鬆弛現象。
四、殘留應力 彈簧在捲製及熱處理過程中,都可能殘留些內應力。
五、疲勞限度 材料受反覆應力仍不致被破壞的最大限度,稱為疲勞限度。大部份的破壞是由疲勞所引起的,不良的表面是彈簧的最大缺點。當彈簧有瑕疵或裂縫時,受反覆應力易生疲勞破壞。
※5-5 彈簧的連接 設 F:外力。 K:總彈簧常數。 K1:第一組彈簧常數。 K2:第二組彈簧常數。 X:總變形量。 則 F = K X 或 或 (5-1)
一、串聯 1.負載(外力)等於各彈簧回復力。 2.總變形量等於各彈簧變形量之和。 (5-2) 3.總彈簧常數之倒數等於各彈簧常數之倒數和。 2.總變形量等於各彈簧變形量之和。 (5-2) 3.總彈簧常數之倒數等於各彈簧常數之倒數和。 (5-3) 如圖5-21所示。兩組彈簧串聯時得總彈簧常數 (5-4)
圖5-21 串聯 圖5-22 並聯
二、並聯 1.負載(外力)等於各彈簧回復力之和。 2.各彈簧之變形量等長,亦等於總變形量。 (5-5) (5-5) 3.總彈簧常數等於各彈簧彈簧常數之和。 (5-6)
圖5-23 為螺旋壓縮彈簧並聯之應用例 圖5-24 彈簧之應用例
[例1]:圖5-21所示。串聯的彈簧組中K1=20 N/㎝,K2=30 N/㎝,負載為30N。試求總彈簧常數K及總變形量X為若干?(F=W=30N) [解]:1.依公式(5-4) 2.依公式(5-2) 或依公式(5-1)
[例2]:圖5-22所示並聯的彈簧組中K1=20 N/㎝,K2=30 N/㎝負載為30N。試求總彈簧常數K及總變形量X為若干?(F=W=30N) [解]:1.依公式(5-6) 彈簧常數 K = K1+ K2=20+30=50N/cm 2.依公式(5-1)
[例3]:圖5-25所示的彈簧組之總彈簧常數K為若干? K1=10 N/㎝ K2=20 N/㎝ K3=20 N/㎝ 圖5-25 彈簧組
[解]:(1) K2及K3為並聯,由5-6式得 (2) K4、K5、K6為並聯,由5-6式得 (3) K1、K23、K456為串聯,由5-3式得