弹簧

歷史

在整個人類歷史中使用簡單的非盤繞彈簧，例如 弓（和箭頭）。在青銅時代，使用了更複雜的彈簧裝置，如鑷子在許多文化中的傳播所示。克特西比烏斯開發了一種通過生產具有增加的錫比例的青銅合金製造具有類似彈簧特性的青銅的方法，然後在鑄造之後通過錘擊使其硬化。
15世紀初的門鎖上已經出現了盤繞彈簧。第一個彈簧動力鐘也出現在15世紀，於16世紀發展成為大型手錶。
1676年，英國物理學家羅伯特·胡克假定胡克定律，其中指出彈簧施加的力與其延伸成正比。

類型

彈簧種類繁多。 有各種分類方法，沒有決定性的東西。在下文中，將主要說明按類型和材料類型的類型，並且將觸及其他分類。

金屬彈簧

當彈簧材料分為金屬和非金屬時，除特殊情況外，通常使用金屬彈簧。雖然成本低，但金屬彈簧的一個優點是它可以承受很大的力並且可以確保大的撓曲量。在金屬材料中，鋼材料由於其高強度和多功能性而特別廣泛地使用。彈簧用的鋼材是「彈簧鋼」也由名稱已知的，它是為了增加彈性極限增強材料中的比典型的鋼的碳濃度。彈簧鋼大致分為冷成型和熱成型。冷成形適合於通過在室溫狀態下將材料加工成彈簧形狀來形成相對小的彈簧。熱成型適合於通過在加熱到高溫的狀態下將材料加工成彈簧形狀來形成相對大的彈簧。作為彈簧鋼的種類，使用以碳為主要添加元素的碳鋼，或者特別添加碳以外的元素的合金鋼。不銹鋼、耐腐蝕性和耐熱性優異的材料用作其他鋼材。
銅合金、黃銅、磷青銅、西白、鈹銅等材料常用作彈簧所用的有色金屬材料。利用銅合金導電率的優點，用連接器等減少電阻和發熱。除了耐腐蝕性和非磁性之外，還存在與鋼材相比成本高的缺點。
作為另一種有色金屬材料，鎳合金具有優異的耐腐蝕性，耐熱性和耐寒性也可用作彈簧材料。特別是英高鎳合金在鎳合金中很常見。鎳合金材料用作彈簧，用於高於400 ℃的高溫區域。鈦合金也用於彈簧作為與鋼相比可以製造得更輕的材料。與鋼相比，鈦合金的彈性模量和比重更小，因此可以減輕彈簧的重量。另一方面，存在成本高的缺點。

非金屬彈簧

當希望獲得用金屬材料無法實現的功能和性能時，非金屬材料用作彈簧材料。塑料和橡膠等聚合物材料）也用作彈簧材料。 利用橡膠彈性的彈簧特別稱為「橡膠彈簧」。橡膠的彈性是非線性的，並且只有在應變小的範圍內才可以認為是線性的。具體材料包括通用天然橡膠，高耐候性氯丁橡膠，良好的減振特性丁基橡膠等。與金屬彈簧相比，它具有可以根據方向自由調節彈簧常數的優點，在橡膠的內部摩擦變形時產生阻尼力。。它廣泛用作車輛和工業機械的「防振橡膠」。另一方面，還有一個缺點是性能在高溫和低溫下趨於惡化，蠕變很可能在長期的重負荷下發生。此外，由於不能清楚地計算橡膠彈簧的性能，因此需要在近似範圍內進行計算。
塑料材料也用於彈簧。與金屬彈簧相比，塑料彈簧具有重量輕，不腐蝕，易於成型等優點。另一方面，存在如橡膠那樣可能發生蠕變的缺點，並且強度和彈性模量小於鋼。在塑料材料中，工程塑料在彈簧中很常見。例如，由聚醚醚酮（PEEK）等製成的螺旋彈簧用於需要耐化學性的地方。
為了克服塑料的低強度，含有增強纖維的纖維強化塑膠（FRP）也用作彈簧材料。有兩種FRP用作彈簧材料：玻璃纖維強化塑膠（GFRP）和碳纖維強化聚合物（CFRP）。取決於增強纖維的取向，FRP具有強度和彈性模量根據施加力的方向而不同的特性。。因此，為了優化彈簧常數並利用FRP所具有的高強度，有必要設計具有適當方向的彈簧。。雖然重量減輕GFRP製成板簧它曾經被投入實際使用的汽車底盤系統，但缺點的是成本高和回收困難。CFRP也用作板簧作為代表性示例。與其他材料相比，CFRP具有比強度和比彈性模量特別優異，以及高金屬疲勞等優點。利用這些優點，已經嘗試將CFRP彈簧應用於其他材料不可能的應用。
陶瓷無機材料也用作彈簧。 它具有耐熱性，即使在700°C至1000°C的高溫下也能實際使用，現有金屬彈簧無法處理。陶瓷是脆性材料，即使小的缺陷也被破壞，強度變化很大，因此以前認為它不適合作為彈簧材料。隨著隨後的製造技術的進步，高強度陶瓷誕生並且實際上可用作彈簧。實際使用例子，氮化矽被用來在高溫下彈簧夾具中所使用。
還有一個利用氣體和液體流體的彈簧，特別是利用空氣彈性的彈簧稱為「空氣彈簧」。在恆定溫度下，氣體的體積與壓力成反比波義耳定律是創造空氣彈簧彈性的基本原則。彈簧高度，可接收的負載，彈簧常數可以獨立設置，通過提供絞り可以產生阻尼力，通過提供調節閥，彈簧高度可以保持恆定，它有優勢。特別是，由於第一個優點，在相同條件下彈簧常數可以比金屬彈簧小，並且當用作車輛的懸架裝置時，可以提高乘坐舒適性。根據形狀，可大致分為兩種「形狀によって」、「ベローズ形」。作為缺點，與金屬彈簧相比，結構複雜，還需要除空氣彈簧之外的附屬裝置，並且成本高。
還有一個彈簧使用惰性氣體，如氬和氦，而不是空氣，這種彈簧稱為「[氣彈簧]」。彈簧特性設定的自由度高，可以節省空間，可以發揮大的負荷。另一方面，工作溫度存在限制，存在氣體洩漏的擔憂。

磁性彈簧

雖然它不使用彈性，但也有一個稱為「磁彈簧」的彈簧，它使用磁鐵的磁力作為恢復力。當使磁鐵的相同磁極靠近它時產生排斥力時，它可以用作在壓縮方向上具有恢復力的彈簧。當磁鐵的相對磁極彼此面對時，由於當磁鐵在橫向方向上移位時產生吸力，它可以用作在橫向上具有恢復力的彈簧。有一個優點是可以避免物體之間的接觸並且沒有質量，因此不會發生下面描述的波動。

振動問題

如果使用彈簧的目的是振動的鬆弛，則在某些情況下可能需要使振動阻尼遠離彈簧的機械元件。 阻尼代表油阻尼器等作為阻尼的機械元件，通過將物體的振動能轉換為熱能並消散它。雖然彈簧本身俱有像橡膠彈簧一樣的阻尼，但是一般的金屬螺旋彈簧會產生少量阻尼，因此需要單獨使用阻尼器。通過阻尼，可以避免由彈簧支撐的物體隨著自由振動而搖動。為了更強烈地抑制振動，除了彈簧/阻尼器之外還可以設置致動器。車輛等的主動懸架的示例。
在處理振動問題等時，將目標機制視為數學模型，並將其視為由單個元素組成的系統（物理系統）。基本振動模型由三個元素組成：慣性元件，恢復元件和阻尼元件。典型的修復元件是彈簧。彈簧的載荷 - 如果它是能夠確定的偏移特性，可以賦予其特性作為振動模型的元件。但是，振動模型上模型化的話，實際的彈簧始終理想化的東西，需要特別注意。。振動模型上的彈簧被視為沒有質量，但實際結合的彈簧具有質量。實際的彈簧本身也是一個振動系統。因此，彈簧本身也會振動，並且振動中也存在自然振動。當彈簧本身的固有頻率與外部頻率重合時發生共振。特別是對於以高頻膨脹和收縮的壓縮螺旋彈簧而言，這成為一個問題。當發生滑脫，彈簧不能跟隨機構的運動，導致系統變得不穩定或導致彈簧斷裂。當滑脫是一個問題時，通過增加彈簧本身的固有頻率來採取對策。

強度

在一般的機械設計中，重要的是具有足夠的強度以使其不會破裂並且彈簧是相同的。與其他機械元件相比，設計中的一個特殊點是它需要通過變形進行偏轉。用其他機械元件進行強度評估，但通常在評估變形量之前不需要。另一個設計特徵是使彈簧的使用範圍在如上所述的彈性變形範圍內。這也可以說是彈簧設計的「絕對要求」。如果它超過材料的彈性極限，則不能正常地實現彈簧的功能。在彈簧強度方面特別重要的是「疲勞」和「永久變形」。
疲勞是由於在物體上重複施加載荷而在物體中產生裂縫並且發生破壞的現象。這種重複負載稱為「動態負載」。用於繼續接收振動的車輛的懸架系統的彈簧的示例接收這樣的負載。疲勞強度是材質、形狀、負荷形式、使用溫度，許多因素如環境影響。由於彈簧通常以受到重複載荷的形式使用，因此從設計的角度來研究疲勞強度也很重要。通常，如果重複施加的負載數量是1000萬次，則設計使彈簧不會疲勞。取決於彈簧的應用，存在足以承受比其更少的次數或為了承受更多次的情況。
凹陷不僅低於屈服應力載荷, 甚至長期, 而且在材料中逐漸發生塑性變形, 造成永久性彎曲彈簧現象。。當負載繼續保持幾乎恆定時，也會發生凹陷。這種負載也稱為「靜態負載」。凹陷主要是由一種叫做蠕變的現象引起的。例如，在用於汽車的懸架系統的彈簧中，由於跟部引起的車輛高度的變化成為問題。 特別是在高溫區域，容易發生斷裂，因此要考慮在高溫區域使用的彈簧，例如將產生的應力抑製到較低水平，採用高度抗下垂的材料。雖然在高於450°C的高溫區域出現風化現象，但在400°C以下區域出現下垂的機制仍然不清楚。

製造業的基本項目

彈簧的製造過程根據類型而變化。 以下是金屬彈簧製造的一般描述。
在金屬彈簧的情況下，主要通過塑性加工來執行從桿狀或板狀材料到預定彈簧形狀的成形。彎曲或滾動材料並將其加工成所需形狀。金屬彈簧的塑性成形大致分為冷成型和熱成型。如上所述，通過在室溫狀態下將材料加工成彈簧形狀，在相對小的彈簧上進行冷成形。通過在加熱到高溫的狀態下將材料加工成彈簧形狀，在相對大的彈簧上進行熱成形。
在金屬彈簧的情況下，在成型後施加熱處理。 如果是鋼的熱成形彈簧（如板簧，竹筍彈簧，螺旋彈簧等），在成形後立即淬火淬火然後回火。通過硬化和回火，可以將其製成堅硬且持久的材料。在形成鋼冷成形彈簧（薄板簧，螺旋彈簧，碟形彈簧等）之後進行熱處理時，進行退火以去除淬火或回火的殘餘應力。在有色金屬材料的情況下，施加析出硬化並且同樣增加強度。
在熱處理後的許多情況下表面改質下完成。表面改質是一種在彈簧表面高速錘擊無數硬顆粒的過程，將彈簧表面壓縮殘餘應力以提高疲勞強度。在表面改質或熱處理之後，在許多情況下執行稱為「預先設定」或「設定」的過程，該過程施加大於最大設計負荷的負荷。。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。熱成形螺旋彈簧等有時進行「熱處理」，其中在高溫狀態下進行設定同時進行回火。因此能夠增加由熱定形淬火抗流掛性。在最後的過程中，如果需要，通過電鍍或塗漆進行表面處理。
在塑料彈簧的情況下，用於彈簧的大多數塑料是熱塑性塑料，因此它是通過注塑成型成型的。將熔融材料壓入模具中並冷卻並固化以生產。在作為橡膠彈簧之一的防振橡膠的情況下，我們製造和捏合原材料，並通過硫化將它們粘合到金屬配件上。

工業規格

國際標準ISO其他，國家工業標準（ASTM、BS、DIN、JIS、JASO、SAE等），標準已經建立了彈簧的設計和製造。的內容是相關的彈簧，各種彈簧產品，測試方法，所述彈簧材料涉及這種牽伸過程那些術語。在ISO，成立了由12個國家參加的2017年技術委員會「ISO/TC 227」，金屬彈簧作為一種控制標準的發展。

應用實例

利用彈簧的特性和功能，彈簧被廣泛應用於各個領域。從熟悉的電器到大型機器和結構，從老式設備到現代設備，彈簧的使用很普遍。

日用品

身邊的日用品中也存在各種各樣的彈簧。在文具中，用於夾紙文件的夾子也可以說是一種彈簧。線彎曲成形的迴紋針，形成一種線彈簧。用於裝訂紙張和文件訂書機通常是一個板簧和螺旋彈簧的組合。螺旋彈簧用於向前推動訂書針的機構，並且推出訂書針的薄板是板簧。在具有敲擊機構的圓珠筆中，使用螺旋彈簧來取出和插入筆尖。一些圓珠筆有一個支撐筆尖球的機制，小彈簧大約1毫米。
彈簧也用於掛衣服洗衣服。有些東西使用扭力彈簧和那些在衣夾中使用環形彈簧的東西。稱重量秤也有使用彈簧的類型。。彈簧秤使用拉伸螺旋彈簧，稱重的機構，可以說是胡克定律的樣本。
在機械式時鐘中使用兩種類型的螺旋彈簧。 一個是接觸式螺旋彈簧的彈簧，其產生動力以推進鐘針。另一種是非接觸式螺旋彈簧的稱為平衡彈簧的部件，用於鐘表的時鐘速度擒縱機構。這是回報的平衡彈簧連接到天平的一部分，移動針刻正確的時間。
有些玩具使用彈簧的各種特性。驚奇的盒子是一個經典的玩具，當打開蓋子時玩偶等彈出恢復力的彈出玩具。音樂盒旋渦彈簧，作為動力，發出聲音。。這是如何使用彈簧將能量作為彈性能量積累並逐漸釋放彈簧的一個例子。玩具模型汽車的發條也是螺旋彈簧運行的動力源。

車輛

一輛車使用了2,000到3,000個彈簧，汽車和彈簧之間的關係很強。汽車內燃機中使用的典型類型是根據凸輪軸的凸輪形狀移動進氣門和排氣門的彈簧，稱為「氣門彈簧」或「閥門彈簧」。在約120℃下在油即使上述拉伸1億次要求不疲勞斷裂，並且進一步總是需要小型化和輕量化。在整個彈簧中，閥門彈簧可以說是在最惡劣的環境中使用的彈簧為了滿足使用條件，形狀和線間距截面形狀進行了特殊設計。關於材料，抗拉強度超過2000 帕斯卡的鋼絲已經標準化並用作閥門彈簧材料，並且是「最廣泛使用的批量生產的材料高品質的彈簧。
各種彈簧也用於車輛的懸架，該車輛在保持車輪的同時支撐車身並減輕來自路面的衝擊。。最廣泛使用的懸架彈簧是壓縮螺旋彈簧，重量輕的小型轎車的很多因為使用的。層壓板簧是重型和重型的，但由於它們的高承載能力，它被用於貨車，公共汽車，越野車輛等。。儘管空氣彈簧具有諸如高度調節和乘坐舒適性之類的優點，但它們昂貴且用於公共汽車和豪華汽車。扭杆是一級方程式賽車的主懸架彈簧。為了抑制側傾擺動車體，從小型車到大型卡車的扭杆使用範圍很廣。。
鐵路車輛的懸架系統由兩種彈簧組成，即枕形彈簧和軸向彈簧。枕形彈簧是存在於車身和鐵路車輛之間的彈簧，主要使用空氣彈簧。通過使用空氣彈簧，可以在獲得軟彈簧常數的同時保持車身的高度。軸簧是位於轉向架和輪對之間的彈簧, 主要使用螺旋彈簧。
除了懸掛系統，列車的集電弓，而且通過氣動，通過彈簧得到靠在集電弓接觸導電。在年齡較大的有軌車車輪彈簧用於緩衝耦合。レールを枕木に固定するためにも、板ばねや線ばねが使われている。
對於其他車輛，在建築車輛的推土機的懸架中裝有彈簧，以便將輪胎給予履帶，但即使施加異常力，它也可以釋放它。 該彈簧稱為「反沖彈簧」，主要使用螺旋彈簧。一些復進簧的也是巨大的壓縮螺旋彈簧超出人類的脊柱。

電氣和電子設備

彈簧還用於電氣設備和電子設備。 在某些情況下，彈簧本身是電路的一部分，在這種應用中，使用具有良好導電性的銅合金彈簧。銅薄板簧安裝在出口用於獲取電力，這個薄板簧與插頭電連接並保持插頭。這不容易地移除插頭，並且也可以用適度的力拉出插頭。在電路、電子電路中的繼電器和開關中，也有各種各樣的電力接觸。筆記型電腦和手機等電子機器類，高度的輕量化和小型化被要求，它們中的繼電器開關、連接器等中使用薄鋼板，也同樣輕量化和小型化被要求，作為結果懸架裝置用彈簧普通的高強度的彈簧也會用。
照明和遙控等開關也使用彈簧進行操作。假設沒有彈簧，當開關緩慢按下時，電觸點也會緩慢接近並接觸，這樣電弧很可能在觸點之間長時間發生，導致損壞。通過使用彈簧，即使緩慢按下開關，也可以立即接觸端子。使用壓縮螺旋彈簧或橡膠的機構，以及連接端子本身是板簧的機構。
在電腦的示例中，彈簧被包含在執行操作的鍵盤中。 在較舊的鍵盤上，金屬螺旋彈簧構建在每個鍵下方，用於推回鍵。還有一種用橡膠的恢復力推回鍵盤的方法，截至2008年，這種類型的鍵盤是主流。在存儲設備的硬碟驅動器中，稱為磁頭的組件在磁盤上移動以向盤讀取和寫入信息。在這種情況下，薄板彈簧稱為懸浮液給出了一個恆定的負載到磁頭，磁頭有助於維持在幾十奈米的磁盤上的位置。

結構

彈簧也用於建築和土木工程領域的結構本身。 為了保護建築物免受地震的影響，將建築物和基礎分開，並在其間安裝彈簧和阻尼器稱為地震隔離結構。線圈彈簧也用於地震隔離結構中，但通常使用層壓橡膠，其中金屬板和橡膠層疊成層。體操比賽的百合地板也被鋪滿了的彈簧支撐著。根據這個，地板競技高難度的空翻技巧成為可能。。層壓橡膠等甚至結合在橋的軸承中，由此缺少橋的上部結構的移動。
除了基礎隔離結構之外，還有一種減振結構可以保護建築物免受震動。在減振結構中，提供稱為動態減振器的機構，以通過彈簧和減震器將重物附著到建築物的上部。。與地震隔離結構不同，由於可以減少由強風引起的振動，因此尤其對於高層建築物而言需要阻尼結構。例如，在台北101大樓中為了因應高空強風及颱風吹拂造成的搖晃，在87至92樓掛置一個重達661.02公噸、直徑5.5公尺的調諧質塊阻尼器（又稱「調質阻尼器」）。