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 槍的板機 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 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) 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 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 動畫 5-19A 動畫 5-19B 圖 5-19 軸環
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 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 0.30-0.60 060090 0.60-0.90 0.30-0.60 0.60-0.90 0.040 以下 0.030 以下 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
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 0.30-0.60 0.60-0.90 0.30-0.60 0.60-0.90 0.50-0.80 0.025 以下 * 日本 Jis 規格中 SWPA 琴鋼線材 Cu 的含量 0.15% 以下 0.030 以下 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 (SWRS4) S 合金鋼 一般用 SWOSM A SWOSM B 彈簧鋼 ( SUP 6,7 ) 閥瓣彈簧用 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 7PH(Ni 鋼 ) 鋼線 鋼帶 不銹鋼帶鋼彈簧成形後, 在低溫退火時, 其退火溫度約在 400 上下, 機械性質最佳
二 非鐵合金鋼 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 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 X1: : 第一組彈簧變形量 X2: 第二組彈簧變形量 則 F = K X 或 F F 或 (5-1) K = X X = K
一 串聯 1. 負載 ( 外力 ) 等於各彈簧回復力 1 K F F = F = = = 1 2 2. 總變形量等於各彈簧變形量之和 F n = X (5-2) 1 + X 2 + X n 3. 總彈簧常數之倒數等於各彈簧常數之倒數和 X + 1 K = 1 K + 1 K + + 1 1 2 K n (5-3) 如圖 5-21 所示 兩組彈簧串聯時得總彈簧常數 1 1 = + K K K K 1 2 K K + K 1 2 1 = 2 (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 F F + F + + = 1 + 2 F n 2. 各彈簧之變形量等長, 亦等於總變形量 X X = X = = = 1 2 X (5-5) 5) 3. 總彈簧常數等於各彈簧彈簧常數之和 K K + K + + = 1 2 K n n (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/ cm, K2=30 N/ cm, 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) K K 20 1 2 = K + K 20 + 30 30 1 2 K = = 1 2 12 N / cm 或依公式 (5-1) X = X F F 30 30 + X = + = + = 1 2 K K 20 30 1 2 2.5 cm F 30 X = = = K 12 2.5 cm
[ 例 2]: 圖 5-22 所示並聯的彈簧組中 K1=20 N/ cm, K2=30 N/ cm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) F 30 X = = = K 50 0.6 cm
[ 例 3]: 圖 5-25 所示的彈簧組之總彈簧常數 K 為若干? K1=10 10 N/ cm K2=20 20 N/ cm K3=20 N/ cm K4=15 N/ cm K5=15 N/ cm K6=15 N/ cm 圖 5-25 彈簧組
[ 解 ]:(1) K2 及 K3 為並聯, 由 5-6 式得 K = K + K = 20 + 20 40N / cm 23 2 3 = (2) K4 K5 K6 為並聯, 由 5-6 式得 K = K + K + K = 15 + 15 + 15 45N / cm 456 4 5 6 = (3) K1 K23 K456 為串聯, 由 5-3 式得 1 1 1 1 = + + Ke 10 40 45 K = 6.79N / cm = 0.1+ 0.025 + 0.0222 = 0.14722
彈簧機構應用動畫 1. 制動裝置 2. 避震器 3. 圓形體夾具 動畫 5-26 動畫 5-27 動畫 5-28