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=== 第五章 彈簧 === 第五章 彈 簧 5-1 彈簧的功用 5-2 彈簧的種類 5-3 彈簧的材料
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5-1 彈簧的功用 彈簧可吸收意外的負載或衝擊力，使其緩和之。如機車支架上的緩衝器、汽車及飛機上的避震器、海綿墊等。
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5-1 彈簧的功用 利用彈簧來供給定量的力或扭轉力矩，來保持機件之接觸。如汽車的離合器，高速車床的制動器、內燃機之閥或安全閥及熱水器中之壓力閥等。
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5-1 彈簧的功用 利用彈簧來儲存能量，緩慢的釋出，作為動力的來源。如鐘之「發條」、錶之「游絲」、槍之「撞針」及各種彈簧動力玩具等。
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5-1 彈簧的功用 利用彈簧的變形來測量力或扭轉力矩的大小。如彈簧秤、控制閥及各種功率指示器（儀錶）等，如圖5-1 所示。
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用 彈簧的強度，可決定承受外力負載的大小。影響工作應力大小的因素有： (1)加於彈簧負載形態。 (2)腐蝕效應。
(3)彈簧表面狀況。 (4)震動及衝力的效應。 (5)材料成分及熱處理。
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5-1 彈簧的功用 鬆弛現象發生的原因很多，主要的原因有下列兩種 :
溫度升高，材料產生膨脹及軟化，因此彈簧的彈性限度減低。例如回火彈簧線，在靜態負載時，耐溫在115 ℃～170 ℃間。 如果負載增加，時間過長，則彈簧產生鬆弛的現象。
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5-1 彈簧的功用 當材料有瑕疵裂縫時，在震盪中易生疲勞。如果應力小於某一定值時，即使反覆數次，材料亦不致破壞。此永久不破壞之應力的最大值，稱為「疲勞限度」（Fatigue Limit）。超過此疲勞限度，則彈簧會失去彈性。
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5-1 彈簧的功用 當彈簧在捲製及熱處理過程中，材料組織或結晶構造改變，而產生不平衡的內應力。
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用 如圖5-2 所示。
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用 虎克定律（Hooke's Law）在彈性限度內，彈性體的應力與應變成正比。
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5-1 彈簧的功用 上式中C表示彈簧指數（Spring Index）。 應力係數又稱「彈簧常數」，由圖5-3 所示查得之。
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5-1 彈簧的功用 如圖5-4 所示。
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用
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5-1 彈簧的功用 例題 5-1
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5-2 彈簧的種類 為了適應各種不同的用途，彈簧設計成各種不同的型式，依彈簧的作用分類，可分成下列四種：
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5-2 彈簧的種類 螺旋壓縮彈簧（Coil Spring or Helical Spring）是由圓鋼線纏繞在多頭（複）螺紋上，經由定型、淬火及回火等熱處理製成，其未受作用力時的長度，稱「自由長度」，自由長度等於壓緊長度加最大撓曲量的總和，如圖5-5 所示。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 螺旋壓縮彈簧斷面亦有方形者，但撓曲時，斷面易變成梯形，增加製造上的困難，除非有特殊的需要，通常甚少使用，圖5-6 所示為壓縮彈簧的端頭形狀。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 圓盤形彈簧（Disk Spring）又稱「皿形彈簧」，常為具有彈性之「墊圈」，如圖5-7。螺帽鎖緊後，不會因為震動而鬆脫。
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5-2 彈簧的種類 疊板彈簧（Laminated Spring）或稱為「弓形彈簧」亦稱「葉片彈簧」（Leaf Spring），通常應用在大貨車及大型客車上，用來減少車身的震動，是屬於兩端及中間受力的形式。上面是一片矩形板片彈簧，兩端捲邊以連接鉤桿，下面數片板片彈簧所形成的相等彎曲應力，中間部分由夾板和兩個U 形螺栓夾緊，兩側可加裝兩個反跳夾，來防止彈簧反彈時鬆脫，如圖5-8所示。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 如圖5-9 所示為圓錐形彈簧（Conical Spring），又稱「渦形彈簧」（Volute Spring），係圓鋼線捲製而成。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 如圖5-10 所示之錐形彈簧為鋼片捲製而成。此種彈簧的渦形直徑，通常逐漸由大變小，當壓縮時，大直徑先變形，然後小直徑部分變形，彈簧的抵抗力亦逐漸增加，為了節省空間，彈簧依次內圈之外徑稍小於外圈內徑，若將圓錐形彈簧壓緊後，成為一餅形。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 有時亦可將兩個相同的圓錐渦形彈簧，錐底與錐底連結組合而成彈簧，如圖5-11(a)所示，例如修果樹之手鉗所使用的彈簧。也可將此兩個圓錐形彈簧之小直徑連結組合而成彈簧，如圖5-11(b)所示，例如沙發椅之彈簧。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 空氣或油壓伸縮囊是利用伸縮囊內流體（空氣或油）之壓力，使之轉變為彈力的裝置。外面容器是利用燈籠形的空氣或油伸縮囊，如圖5-12 所示，常應用於汽車之緩衝器。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 如圖5-13 所示為一「拉伸彈簧」，又稱「伸張彈簧」，彈簧之每一圈都緊靠在一起，未受作用力的長度為「自由長度」，彈簧受拉力則伸張。伸張彈簧端頭形狀，如圖5-14 所示。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 扭轉彈簧又稱「扭力彈簧」是受扭力的作用而產生撓曲度的彈簧，可用來緩和迴轉運動或扭矩，也可以儲存「彈性能」而產生扭力的作用。
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5-2 彈簧的種類 如圖5-15 所示為螺旋扭轉彈簧（Helical Torsion Spring），自螺旋圈的兩端或中間，沿切線方向伸出成臂狀者，應用較大型者，如鐵捲門，如圖5-15(b)所示。在四周承受扭力矩，其形狀多為小型，如日常用品、電氣製品廣為使用，如圖5-15(c)、(d)所示。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 用扁平的彈簧材料，捲成蝸旋線的形狀，就形成「蝸旋扭轉彈簧」（Spiral Torsion Spring），如圖5-16 所示，若將外端固定，如圖所示方向將內軸轉動，就可將「能量」儲存在扭轉彈簧中。如鐘之「發條」，錶中「游絲」都是利用這種彈簧儲存「能量」，當「發條」上緊後，經過「擒縱器」將「能量」慢慢的釋放出來，以維持鐘錶的運行。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 扣環為具有彈性之開口圈環、圓形圈環或內孔圈環在軸或轂之溝槽中，以防止相關機件之軸向移動，如表5-1 所示。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 C 形扣環為具有彈性之開口圈環，圖5-17 為軸用C形扣環，裝入軸的溝槽中。如圖5-18 為孔用C 形扣環，裝入轂之槽中，其目的為阻止「軸承」作軸向移動或在軸端作為其他機件的固持。其為四種扣環中最常用的一種，但須使用「C 形扣環卡鉗」方可將扣環裝入或卸下。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 圖5-19(a)為軸用E 形扣環阻止機件軸向移動的情形。圖5-19(b)為軸用E 形扣環設計成斜度楔入軸中。圖5-19(c)為孔用E 形扣環使用的情形，唯不易卸下，故此種扣環甚少使用在孔中。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 如圖5-20 所示，圖5-20(a)及圖5-20(b)為軸用圓形扣環。圖5-20(c)為孔用圓形扣環。此種扣環是靠彈簧的張力套在軸上或裝入孔中，唯卸下不易。
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5-2 彈簧的種類
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5-2 彈簧的種類 單片彈簧（Simple Plate Spring）係一金屬薄片製成彈簧，當施力於彈簧的一側時，即產生反作用力。例如電源插座及電氣開關等。如圖5-21 所示，用金屬薄片加工成適當的形狀，而有彈性作用者，亦屬單片彈簧。
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5-2 彈簧的種類 線彈簧（Line Spring）是用線材彎曲成適當的形狀，而具有彈性作用，如圖5-22 所示。
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5-2 彈簧的種類 如圖5-23 所示為一種「環形彈簧」（Ring Spring），係利用鋼線製成圓圈，其接合處各彎一小圓圈，以備放鬆彈簧的緊縮力，通常使用在軟管與硬管的連接處。
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5-2 彈簧的種類
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5-3 彈簧的材料 只要是彈性大的任何材料都可以製造彈簧，其中最常用的材料是高碳鋼及合金鋼，製成線或板狀的彈簧，例如彈簧線、鋼帶及鋼琴線等。
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5-3 彈簧的材料 螺旋彈簧的主要材料為含有0.60～0.70%碳及1.00%錳之回火鋼料。鋼琴線可作為高級彈簧，其含碳量為0.65～0.95%，通常直徑都在3 mm 以下。大直徑的鋼琴線其含碳量0.85%～0.95% 及含錳量為0.30～0.40%之退火鋼，加熱繞形後再加熱至780 ℃～850 ℃，放入水或油中淬火及400 ℃～500 ℃的溫度回火。板片彈簧為高碳鋼，其含碳量為0.90%～1.00%，經過適當的熱處理製成。
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5-3 彈簧的材料 製造彈簧時，在鋼內加矽、錳、鉻、釩及鉬等金屬元素製成「合金鋼」，其強度與彈性視合金元素不同而異，但具較佳韌性及疲勞限度，且耐衝擊。
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5-3 彈簧的材料 非鐵及非鐵合金鋼材料製成的彈簧之共同性質，有良好的抗腐蝕性。此類材料常用的下列七種。
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5-3 彈簧的材料 主要的成分為銅、錫合金。通常用冷作加工捲曲製成的彈簧。 除銅外，含鈹量約2%。此材料必須用低溫冷作加工捲曲製成彈簧。
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5-3 彈簧的材料 銅與鎳的合金。微帶磁性，能耐溫200 ℃，常用於食品工業中。用冷作加工法製成彈簧。
除銅、鎳外，另含有3%的鋁。可用常溫和低溫冷作加工。
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5-3 彈簧的材料 英高鎳合金為耐蝕鎳基合金，鎳至少75%、鉻12～15%、鐵6～9%及少量的鈷、錳及銅等元素。含鉻可抵抗高溫氧化及硫化物之作用。此種材料在370 ℃以內不會有鬆弛現象。用在蒸氣閥、鍋爐、渦輪機及噴射引擎內的彈簧。
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5-3 彈簧的材料 英高鎳（X）合金之主要成分為鎳、鉻及少量的鉬、鈦、鋁等元素。此材料可耐溫至480 ℃仍不會有鬆弛的現象。必須由冷作加工製成彈簧。
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5-3 彈簧的材料 可鎳爾合金其成分鎳73%、鈷13%、鐵7.5%及鈦2.5%等，為耐熱、耐蝕及降伏點、強度高的合金。
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5-3 彈簧的材料 橡膠、塑膠、合成樹脂等材料亦可製造成壓縮、拉伸及扭轉彈簧，但是此類材料製成的彈簧主要的功用為吸收震動及衝擊力的緩衝。缺點為不耐高溫、低溫、不耐蝕、不耐疲勞及不能符合虎克定律，故彈性係數為不定值。
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5-3 彈簧的材料 利用空氣或液壓油為媒介物製成彈簧緩衝（避震）器，有極佳的作用力緩衝效果且無聲，應用在汽車、機車上。
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5-3 彈簧的材料
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5-3 彈簧的材料
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5-3 彈簧的材料
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