1.4 弹簧的特性

弹簧的特性主要是指力学特性（胡克定律），即在一定的几何空间下力和刚度的大小（在物理学中，刚度称为倔强系数）。力的单位是N或KN；刚度的单位是N/mm、KN/cm等。

如果简单地按胡克定律描述弹簧的特性，可以表达为图1-1的形式

图1-1中的曲线1、2、3均为直线，不同的是斜率不一样。而斜率恰恰就是刚度。我们将刚度用P’表示；力用P表示；变形（位移）量用F表示。

刚度是弹簧最重要的参数之一，它代表了弹簧的固有的特性。弹簧制造完成后，它的刚度就确定了。与是否参与使用无关。后面讲到的变刚度的弹簧仅仅是参与变形的弹簧全部和局部的区别，局部受到了空间的限制不能参与变形了，整体刚度发生了变化。

对于在某一个确定的空间，要设计一个满足确定力的弹簧是比较简单的，刚度也比较自由。图1-1中，虚线表示某一确定的力，曲线1、2、3的特性都能达到要求。这时主要以空间大小为设计准则。对于精度来说，刚度越小精度越高。

对于在两个空间位置之间的往复运动，并且两个位置的力有确切的要求，弹簧的刚度就是一个确定的值。如图1-2和公式（1-2）

在这样的条件下，设计的自由度就小了。只能围绕着刚度调整弹簧自身的参数，包括线径（d）、弹簧直径（D）和弹簧的有效圈（n）。设计的准则仍然是空间的允许范围。这类弹簧应用最为广泛。

对于三个以上不同位置及相对应的力，设计的难度就大大地增加了，如图1-3。这时刚度就必须在不同的区间内有所变化，否则只能满足两个位置的要求。曲线1为突变型；曲线2为渐变型。简单地说，弹簧在变形全过程中只有有效圈数（n）能有所变化，其它的参数都不可能变化。全部的奥妙都在N的变化上。图1-3中的特性是刚度增加型，压缩弹簧可以设计为这样的特性，主要是使在自由状态下的弹簧螺距不等。在弹簧的变形过程中，在一定的力的作用下相邻各圈的变形相等，当螺距小的部分随着变形的增加，与相邻的簧圈靠在一起，在以后的变形中这些簧圈便不能再变形了。有效圈数越小刚度就越大。为了防止共振，变刚度是必须考虑的。

另外，压缩弹簧在设计上也存在不理想的情况，压缩弹簧的线性不好，主要是因为在支承圈（与相关部件连接的首尾两圈）与正常的工作圈之间有两端各有一段过渡部分。这两段的螺距是渐变的，因此在变形过程中有效圈数总是会减少的，造成线性不好。一般每一端都大于3/4圈，两端大于1.5圈。有效圈数越多，影响就越小。如果一定要用压簧的形式并且线性要求很高，那么端部就不能采用磨平的形式。弹簧全部做成等节距，两端采用机械螺旋方式连接。

载荷特性还有一种相反的情况，如图1-4这类弹簧也是三个以上的位置，也有三个相应的力的要求，只是它的特性是刚度减小型。它的奥妙也仍然是在有效的圈数N的变化上。这种特性只有拉伸弹簧才能设计成此种特性。这就要谈到拉伸弹簧的初拉力P0。图1-4中曲线1的情况。有初拉力的拉伸弹簧可以达到节约空间的目的，即在低于某一特定力（P0）以下，弹簧不变形，而超过这个力后才开始变形。因此，必须用三点才能表达它的特性。

如果使P0等于0，即拉伸弹簧在自由状态时各圈之间无相互的作用力，弹簧就可以做成图1-1中的理想状态。这是因为拉伸的弹簧随变形的增加，螺距越来越大，n几乎不变。这样拉伸的弹簧有时可以做成一些精度不特别高的量仪，如弹簧秤等。

初拉力的大小通过一定的工艺手段可以控制。随着设计思路的发展和工艺手段的进步，初拉力可以制成各圈之间不同的特性。这是就呈现出图1-4中曲线2和3的情况。即在拉伸弹簧开始拉伸时，只有初拉力较小的弹簧圈开始变形，这时的刚度是最大值，随着力的增加参与变形的部分越来越多，刚度就逐渐减少，以致全拉开后刚度变为最小值，再继续拉刚度就不变了。

螺旋弹簧的特性是比较宽泛的，但是三个位置以上的弹簧制造时比较繁琐，产品的一致性比较差。不到万不得已，还是应该选择二个位置的设计方法，实践证明，大批量的产品，都采用这种类型，精度高，经济性好。 wSddfTROyb3U6Ci2MrYUnar6PXzBrlGZh8m8wuqyvgJWAJpUnwJwV9Da18G9JW+/