弹簧

历史

在整个人类历史中使用简单的非盘绕弹簧，例如 弓（和箭头）。在青铜时代，使用了更复杂的弹簧装置，如镊子在许多文化中的传播所示。克特西比乌斯开发了一种通过生产具有增加的锡比例的青铜合金制造具有类似弹簧特性的青铜的方法，然后在铸造之后通过锤击使其硬化。
15世纪初的门锁上已经出现了盘绕弹簧。第一个弹簧动力钟也出现在15世纪，于16世纪发展成为大型手表。
1676年，英国物理学家罗伯特·胡克假定胡克定律，其中指出弹簧施加的力与其延伸成正比。

类型

弹簧种类繁多。 有各种分类方法，没有决定性的东西。在下文中，将主要说明按类型和材料类型的类型，并且将触及其他分类。

金属弹簧

当弹簧材料分为金属和非金属时，除特殊情况外，通常使用金属弹簧。虽然成本低，但金属弹簧的一个优点是它可以承受很大的力并且可以确保大的挠曲量。在金属材料中，钢材料由于其高强度和多功能性而特别广泛地使用。弹簧用的钢材是“弹簧钢”也由名称已知的，它是为了增加弹性极限增强材料中的比典型的钢的碳浓度。弹簧钢大致分为冷成型和热成型。冷成形适合于通过在室温状态下将材料加工成弹簧形状来形成相对小的弹簧。热成型适合于通过在加热到高温的状态下将材料加工成弹簧形状来形成相对大的弹簧。作为弹簧钢的种类，使用以碳为主要添加元素的碳钢，或者特别添加碳以外的元素的合金钢。不锈钢、耐腐蚀性和耐热性优异的材料用作其他钢材。
铜合金、黄铜、磷青铜、西白、铍铜等材料常用作弹簧所用的有色金属材料。利用铜合金导电率的优点，用连接器等减少电阻和发热。除了耐腐蚀性和非磁性之外，还存在与钢材相比成本高的缺点。
作为另一种有色金属材料，镍合金具有优异的耐腐蚀性，耐热性和耐寒性也可用作弹簧材料。特别是英高镍合金在镍合金中很常见。镍合金材料用作弹簧，用于高于400 ℃的高温区域。钛合金也用于弹簧作为与钢相比可以制造得更轻的材料。与钢相比，钛合金的弹性模量和比重更小，因此可以减轻弹簧的重量。另一方面，存在成本高的缺点。

非金属弹簧

当希望获得用金属材料无法实现的功能和性能时，非金属材料用作弹簧材料。塑料和橡胶等聚合物材料）也用作弹簧材料。 利用橡胶弹性的弹簧特别称为“橡胶弹簧”。橡胶的弹性是非线性的，并且只有在应变小的范围内才可以认为是线性的。具体材料包括通用天然橡胶，高耐候性氯丁橡胶，良好的减振特性丁基橡胶等。与金属弹簧相比，它具有可以根据方向自由调节弹簧常数的优点，在橡胶的内部摩擦变形时产生阻尼力。。它广泛用作车辆和工业机械的“防振橡胶”。另一方面，还有一个缺点是性能在高温和低温下趋于恶化，蠕变很可能在长期的重负荷下发生。此外，由于不能清楚地计算橡胶弹簧的性能，因此需要在近似范围内进行计算。
塑料材料也用于弹簧。与金属弹簧相比，塑料弹簧具有重量轻，不腐蚀，易于成型等优点。另一方面，存在如橡胶那样可能发生蠕变的缺点，并且强度和弹性模量小于钢。在塑料材料中，工程塑料在弹簧中很常见。例如，由聚醚醚酮（PEEK）等制成的螺旋弹簧用于需要耐化学性的地方。
为了克服塑料的低强度，含有增强纤维的纤维强化塑胶（FRP）也用作弹簧材料。有两种FRP用作弹簧材料：玻璃纤维强化塑胶（GFRP）和碳纤维强化聚合物（CFRP）。取决于增强纤维的取向，FRP具有强度和弹性模量根据施加力的方向而不同的特性。。因此，为了优化弹簧常数并利用FRP所具有的高强度，有必要设计具有适当方向的弹簧。。虽然重量减轻GFRP制成板簧它曾经被投入实际使用的汽车底盘系统，但缺点的是成本高和回收困难。CFRP也用作板簧作为代表性示例。与其他材料相比，CFRP具有比强度和比弹性模量特别优异，以及高金属疲劳等优点。利用这些优点，已经尝试将CFRP弹簧应用于其他材料不可能的应用。
陶瓷无机材料也用作弹簧。 它具有耐热性，即使在700°C至1000°C的高温下也能实际使用，现有金属弹簧无法处理。陶瓷是脆性材料，即使小的缺陷也被破坏，强度变化很大，因此以前认为它不适合作为弹簧材料。随着随后的制造技术的进步，高强度陶瓷诞生并且实际上可用作弹簧。实际使用例子，氮化硅被用来在高温下弹簧夹具中所使用。
还有一个利用气体和液体流体的弹簧，特别是利用空气弹性的弹簧称为“空气弹簧”。在恒定温度下，气体的体积与压力成反比波义耳定律是创造空气弹簧弹性的基本原则。弹簧高度，可接收的负载，弹簧常数可以独立设置，通过提供绞り可以产生阻尼力，通过提供调节阀，弹簧高度可以保持恒定，它有优势。特别是，由于第一个优点，在相同条件下弹簧常数可以比金属弹簧小，并且当用作车辆的悬架装置时，可以提高乘坐舒适性。根据形状，可大致分为两种“形状によって”、“ベローズ形”。作为缺点，与金属弹簧相比，结构复杂，还需要除空气弹簧之外的附属装置，并且成本高。
还有一个弹簧使用惰性气体，如氩和氦，而不是空气，这种弹簧称为“[气弹簧]”。弹簧特性设定的自由度高，可以节省空间，可以发挥大的负荷。另一方面，工作温度存在限制，存在气体泄漏的担忧。

磁性弹簧

虽然它不使用弹性，但也有一个称为“磁弹簧”的弹簧，它使用磁铁的磁力作为恢复力。当使磁铁的相同磁极靠近它时产生排斥力时，它可以用作在压缩方向上具有恢复力的弹簧。当磁铁的相对磁极彼此面对时，由于当磁铁在横向方向上移位时产生吸力，它可以用作在横向上具有恢复力的弹簧。有一个优点是可以避免物体之间的接触并且没有质量，因此不会发生下面描述的波动。

振动问题

如果使用弹簧的目的是振动的松弛，则在某些情况下可能需要使振动阻尼远离弹簧的机械元件。 阻尼代表油阻尼器等作为阻尼的机械元件，通过将物体的振动能转换为热能并消散它。虽然弹簧本身俱有像橡胶弹簧一样的阻尼，但是一般的金属螺旋弹簧会产生少量阻尼，因此需要单独使用阻尼器。通过阻尼，可以避免由弹簧支撑的物体随着自由振动而摇动。为了更强烈地抑制振动，除了弹簧/阻尼器之外还可以设置致动器。车辆等的主动悬架的示例。
在处理振动问题等时，将目标机制视为数学模型，并将其视为由单个元素组成的系统（物理系统）。基本振动模型由三个元素组成：惯性元件，恢复元件和阻尼元件。典型的修复元件是弹簧。弹簧的载荷- 如果它是能够确定的偏移特性，可以赋予其特性作为振动模型的元件。但是，振动模型上模型化的话，实际的弹簧始终理想化的东西，需要特别注意。。振动模型上的弹簧被视为没有质量，但实际结合的弹簧具有质量。实际的弹簧本身也是一个振动系统。因此，弹簧本身也会振动，并且振动中也存在自然振动。当弹簧本身的固有频率与外部频率重合时发生共振。特别是对于以高频膨胀和收缩的压缩螺旋弹簧而言，这成为一个问题。当发生滑脱，弹簧不能跟随机构的运动，导致系统变得不稳定或导致弹簧断裂。当滑脱是一个问题时，通过增加弹簧本身的固有频率来采取对策。

强度

在一般的机械设计中，重要的是具有足够的强度以使其不会破裂并且弹簧是相同的。与其他机械元件相比，设计中的一个特殊点是它需要通过变形进行偏转。用其他机械元件进行强度评估，但通常在评估变形量之前不需要。另一个设计特征是使弹簧的使用范围在如上所述的弹性变形范围内。这也可以说是弹簧设计的“绝对要求”。如果它超过材料的弹性极限，则不能正常地实现弹簧的功能。在弹簧强度方面特别重要的是“疲劳”和“永久变形”。
疲劳是由于在物体上重复施加载荷而在物体中产生裂缝并且发生破坏的现象。这种重复负载称为“动态负载”。用于继续接收振动的车辆的悬架系统的弹簧的示例接收这样的负载。疲劳强度是材质、形状、负荷形式、使用温度，许多因素如环境影响。由于弹簧通常以受到重复载荷的形式使用，因此从设计的角度来研究疲劳强度也很重要。通常，如果重复施加的负载数量是1000万次，则设计使弹簧不会疲劳。取决于弹簧的应用，存在足以承受比其更少的次数或为了承受更多次的情况。
凹陷不仅低于屈服应力载荷, 甚至长期, 而且在材料中逐渐发生塑性变形, 造成永久性弯曲弹簧现象。。当负载继续保持几乎恒定时，也会发生凹陷。这种负载也称为“静态负载”。凹陷主要是由一种叫做蠕变的现象引起的。例如，在用于汽车的悬架系统的弹簧中，由于跟部引起的车辆高度的变化成为问题。 特别是在高温区域，容易发生断裂，因此要考虑在高温区域使用的弹簧，例如将产生的应力抑制到较低水平，采用高度抗下垂的材料。虽然在高于450°C的高温区域出现风化现象，但在400°C以下区域出现下垂的机制仍然不清楚。

制造业的基本项目

弹簧的制造过程根据类型而变化。 以下是金属弹簧制造的一般描述。
在金属弹簧的情况下，主要通过塑性加工来执行从杆状或板状材料到预定弹簧形状的成形。弯曲或滚动材料并将其加工成所需形状。金属弹簧的塑性成形大致分为冷成型和热成型。如上所述，通过在室温状态下将材料加工成弹簧形状，在相对小的弹簧上进行冷成形。通过在加热到高温的状态下将材料加工成弹簧形状，在相对大的弹簧上进行热成形。
在金属弹簧的情况下，在成型后施加热处理。 如果是钢的热成形弹簧（如板簧，竹笋弹簧，螺旋弹簧等），在成形后立即淬火淬火然后回火。通过硬化和回火，可以将其制成坚硬且持久的材料。在形成钢冷成形弹簧（薄板簧，螺旋弹簧，碟形弹簧等）之后进行热处理时，进行退火以去除淬火或回火的残余应力。在有色金属材料的情况下，施加析出硬化并且同样增加强度。
在热处理后的许多情况下表面改质下完成。表面改质是一种在弹簧表面高速锤击无数硬颗粒的过程，将弹簧表面压缩残余应力以提高疲劳强度。在表面改质或热处理之后，在许多情况下执行称为“预先设定”或“设定”的过程，该过程施加大于最大设计负荷的负荷。。セッチングを行うことでへたりに対する耐性を向上させることができる。热成形螺旋弹簧等有时进行“热处理”，其中在高温状态下进行设定同时进行回火。因此能够增加由热定形淬火抗流挂性。在最后的过程中，如果需要，通过电镀或涂漆进行表面处理。
在塑料弹簧的情况下，用于弹簧的大多数塑料是热塑性塑料，因此它是通过注塑成型成型的。将熔融材料压入模具中并冷却并固化以生产。在作为橡胶弹簧之一的防振橡胶的情况下，我们制造和捏合原材料，并通过硫化将它们粘合到金属配件上。

工业规格

国际标准ISO其他，国家工业标准（ASTM、BS、DIN、JIS、JASO、SAE等），标准已经建立了弹簧的设计和制造。的内容是相关的弹簧，各种弹簧产品，测试方法，所述弹簧材料涉及这种牵伸过程那些术语。在ISO，成立了由12个国家参加的2017年技术委员会“ISO/TC 227”，金属弹簧作为一种控制标准的发展。

应用实例

利用弹簧的特性和功能，弹簧被广泛应用于各个领域。从熟悉的电器到大型机器和结构，从老式设备到现代设备，弹簧的使用很普遍。

日用品

身边的日用品中也存在各种各样的弹簧。在文具中，用于夹纸文件的夹子也可以说是一种弹簧。线弯曲成形的回纹针，形成一种线弹簧。用于装订纸张和文件订书机通常是一个板簧和螺旋弹簧的组合。螺旋弹簧用于向前推动订书针的机构，并且推出订书针的薄板是板簧。在具有敲击机构的圆珠笔中，使用螺旋弹簧来取出和插入笔尖。一些圆珠笔有一个支撑笔尖球的机制，小弹簧大约1毫米。
弹簧也用于挂衣服洗衣服。有些东西使用扭力弹簧和那些在衣夹中使用环形弹簧的东西。称重量秤也有使用弹簧的类型。。弹簧秤使用拉伸螺旋弹簧，称重的机构，可以说是胡克定律的样本。
在机械式时钟中使用两种类型的螺旋弹簧。 一个是接触式螺旋弹簧的弹簧，其产生动力以推进钟针。另一种是非接触式螺旋弹簧的称为平衡弹簧的部件，用于钟表的时钟速度擒纵机构。这是回报的平衡弹簧连接到天平的一部分，移动针刻正确的时间。
有些玩具使用弹簧的各种特性。惊奇的盒子是一个经典的玩具，当打开盖子时玩偶等弹出恢复力的弹出玩具。音乐盒旋涡弹簧，作为动力，发出声音。。这是如何使用弹簧将能量作为弹性能量积累并逐渐释放弹簧的一个例子。玩具模型汽车的发条也是螺旋弹簧运行的动力源。

车辆

一辆车使用了2,000到3,000个弹簧，汽车和弹簧之间的关系很强。汽车内燃机中使用的典型类型是根据凸轮轴的凸轮形状移动进气门和排气门的弹簧，称为“气门弹簧”或“阀门弹簧”。在约120℃下在油即使上述拉伸1亿次要求不疲劳断裂，并且进一步总是需要小型化和轻量化。在整个弹簧中，阀门弹簧可以说是在最恶劣的环境中使用的弹簧为了满足使用条件，形状和线间距截面形状进行了特殊设计。关于材料，抗拉强度超过2000 帕斯卡的钢丝已经标准化并用作阀门弹簧材料，并且是“最广泛使用的批量生产的材料高品质的弹簧。
各种弹簧也用于车辆的悬架，该车辆在保持车轮的同时支撑车身并减轻来自路面的冲击。。最广泛使用的悬架弹簧是压缩螺旋弹簧，重量轻的小型轿车的很多因为使用的。层压板簧是重型和重型的，但由于它们的高承载能力，它被用于货车，公共汽车，越野车辆等。。尽管空气弹簧具有诸如高度调节和乘坐舒适性之类的优点，但它们昂贵且用于公共汽车和豪华汽车。扭杆是一级方程式赛车的主悬架弹簧。为了抑制侧倾摆动车体，从小型车到大型卡车的扭杆使用范围很广。。
铁路车辆的悬架系统由两种弹簧组成，即枕形弹簧和轴向弹簧。枕形弹簧是存在于车身和铁路车辆之间的弹簧，主要使用空气弹簧。通过使用空气弹簧，可以在获得软弹簧常数的同时保持车身的高度。轴簧是位于转向架和轮对之间的弹簧, 主要使用螺旋弹簧。
除了悬挂系统，列车的集电弓，而且通过气动，通过弹簧得到靠在集电弓接触导电。在年龄较大的有轨车车轮弹簧用于缓冲耦合。レールを枕木に固定するためにも、板ばねや线ばねが使われている。
对于其他车辆，在建筑车辆的推土机的悬架中装有弹簧，以便将轮胎给予履带，但即使施加异常力，它也可以释放它。 该弹簧称为“反冲弹簧”，主要使用螺旋弹簧。一些复进簧的也是巨大的压缩螺旋弹簧超出人类的脊柱。

电气和电子设备

弹簧还用于电气设备和电子设备。 在某些情况下，弹簧本身是电路的一部分，在这种应用中，使用具有良好导电性的铜合金弹簧。铜薄板簧安装在出口用于获取电力，这个薄板簧与插头电连接并保持插头。这不容易地移除插头，并且也可以用适度的力拉出插头。在电路、电子电路中的继电器和开关中，也有各种各样的电力接触。笔记型电脑和手机等电子机器类，高度的轻量化和小型化被要求，它们中的继电器开关、连接器等中使用薄钢板，也同样轻量化和小型化被要求，作为结果悬架装置用弹簧普通的高强度的弹簧也会用。
照明和遥控等开关也使用弹簧进行操作。假设没有弹簧，当开关缓慢按下时，电触点也会缓慢接近并接触，这样电弧很可能在触点之间长时间发生，导致损坏。通过使用弹簧，即使缓慢按下开关，也可以立即接触端子。使用压缩螺旋弹簧或橡胶的机构，以及连接端子本身是板簧的机构。
在电脑的示例中，弹簧被包含在执行操作的键盘中。 在较旧的键盘上，金属螺旋弹簧构建在每个键下方，用于推回键。还有一种用橡胶的恢复力推回键盘的方法，截至2008年，这种类型的键盘是主流。在存储设备的硬盘驱动器中，称为磁头的组件在磁盘上移动以向盘读取和写入信息。在这种情况下，薄板弹簧称为悬浮液给出了一个恒定的负载到磁头，磁头有助于维持在几十纳米的磁盘上的位置。

结构

弹簧也用于建筑和土木工程领域的结构本身。 为了保护建筑物免受地震的影响，将建筑物和基础分开，并在其间安装弹簧和阻尼器称为地震隔离结构。线圈弹簧也用于地震隔离结构中，但通常使用层压橡胶，其中金属板和橡胶层叠成层。体操比赛的百合地板也被铺满了的弹簧支撑著。根据这个，地板竞技高难度的空翻技巧成为可能。。层压橡胶等甚至结合在桥的轴承中，由此缺少桥的上部结构的移动。
除了基础隔离结构之外，还有一种减振结构可以保护建筑物免受震动。在减振结构中，提供称为动态减振器的机构，以通过弹簧和减震器将重物附着到建筑物的上部。。与地震隔离结构不同，由于可以减少由强风引起的振动，因此尤其对于高层建筑物而言需要阻尼结构。例如，在台北101大楼中为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃，在87至92楼挂置一个重达661.02公吨、直径5.5米的调谐质块阻尼器（又称“调质阻尼器”）。