弹簧的基本性能和 设计要求
—— 低压电器十大工艺之一
弹簧的基本性能和设计要求
低压电器十大工艺 冷冲压 塑料成型 弹簧制造 线圈绕制 铁芯制造 触头焊接 热处理 电镀 涂漆 绝缘处理（浸漆）
弹簧的基本性能和设计要求
弹簧的基本性能是在载荷作用下产生变形，卸载时释放能量恢复原形，
加载变形过程遵循一定的规律。
D1’＝ D1－
D1 ＝ D1 2n
n

360 n
为了避免弹簧与心轴发生抱紧现象，扭转弹簧的心轴必须比
最大工作扭矩作用下的弹簧内径小10％。
弹簧的基本参数
弹簧的旋绕比C
弹簧中径D与材料直径 d 之比称作弹簧的旋绕比，或弹簧指数。旋绕 比越小，曲率越大，绕制越困难，弹簧刚度也越大。由于工作时弹簧材料 内侧切应力比平均切应力大很多，导致其工作区间变小。旋绕比大时，弹 簧绕制较容易，性能也较稳定。
许用切应力[τp] Mpa
剪切弹性模量 G Gpa
弹性模量 E Gpa
0.5≤d≤4
d＞4 0.5≤d≤4 d＞4
81.5～78.5
78.5 204～202 197
71.5
193
推荐使用温度 ℃
特性及用途
－40～120
强度高、加工性能好，淬透性 差，适用于做小弹簧，) 中凸和中凹形弹簧 这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧，中凸形弹簧在某些场合
可替代圆锥形弹簧使用，中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。
常用弹簧的分类
（3）蝶形弹簧
加载与卸载特性不重合，在工作过程中有能量消耗，
缓冲和减震能力强，蝶形弹簧常用于中、高压产品中。 （4）平面蜗卷弹簧
这类弹簧圈数多，变形角大，储存能量大，多用在仪
弹簧的圈数
弹簧的有效圈数n是指直接参加弹性变形的圈数。为了避免由于载荷偏 心引起过大的附加力，工作圈数最少为两圈，一般应不少于3圈。 压缩弹簧支承圈的圈数n2取决于端部结构型式。总圈数等于有效圈数 与支承圈数之和。

弹簧的基本参数
弹簧的螺旋角和节距
压缩弹簧的螺旋角一般取5°～10°，如螺旋角大于10°时，则计算弹簧变 形应考虑螺旋角的影响，螺旋角＝arctg
t2 d 2 △D ＝ 0.05 D
(t － 弹簧的节距 ）
当两端面与支承座间可以自由回转，摩擦力比较小时，直径的 增大值△D为：
t 2 0.8td 0.2d 2 △D ＝ 0.1 D
弹簧的基本参数
扭转弹簧在受载后直径将变小、圈数增加，直径变小的程度
取决于弹簧原有圈数及工作时扭转角的大小。变化后的内径D1’ 计算如下：
耐腐蚀、耐高低温，有良好 的工艺性,不能用淬火的方 法硬化。适合做小弹簧。
常用弹簧的设计计算
圆柱螺旋压缩弹簧
A) 已知弹簧参数：钢丝直径、有效圈数、弹簧中径 求弹簧刚度和弹簧力（工作负荷）
Gd 4 弹簧刚度 P’ = 8D 3 n
d —— 钢丝直径 D —— 弹簧中径 n —— 有效圈数 (mm) (mm)
弹簧的基本参数
弹簧的高度（长度）
压缩弹簧的自由高度H0是指弹簧在不受外力时弹簧的高度，
压并高度Hb是指压缩弹簧压至各圈接触时的理论高度。 拉伸弹簧的自由长度H0是指两端钩环内侧的距离。 端部为半园钩环时 H0 ＝(n+1)d+D1 端部为园钩环时 H0 ＝(n+1)d+2D1
弹簧的基本参数
弹簧的刚度
弹簧在低压电器中的作用：
A) 保证动作力：如操作机构的作用力、触头压力、电磁系统的反作
用力等；
B) 缓冲作用：由于电器上电磁铁的吸合、断开时有很大的冲击力， 用弹簧制成缓冲机构，可以吸收动能，减少冲击。
C) 防止联结件松动：电器在工作中有振动，各联结部分需要用弹簧
的弹力压紧，防止松动。

弹簧的基本性能和设计要求
外形尺寸相同的拉伸弹簧，在有无初应力的情况下，刚度相同。
拉伸弹簧的初应力 0 取决于材料、材料直径、弹簧指数和加工方法。 用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧当圈与圈之间相互接触均有 一定的初应力 0 ，如不需要初应力时，各圈间应有间隙，经淬火的弹 簧，没有初应力。对应于初应力的拉伸负荷，即为初拉力。
8 KD
[τp ]Ⅱ（N） [τp ]Ⅰ（N）
(Ⅱ类弹簧) (Ⅰ类弹簧)
d3
8 KD
[τp ] —— 许用切应力 （Mpa）
K —— 曲度系数 查表或按下式计算：
K=
0.615 4C 1 + 4C 4 C
常用弹簧的设计计算
C —— 旋绕比 查表或按下式计算：
D C= d
D —— 弹簧中径 （mm）
器和钟表中。 （5）片弹簧
这类弹簧由薄片材料制成，结构形状繁多，主要用于
仪表及低压元器件中，继电器中使用较多。
常用弹簧的分类
型式 代 号
YⅠ 圆 柱 型 螺 旋 压 缩 弹 簧 Y 弹 簧 受 轴 向 压 缩 负 荷 RYⅠ
简
图
特
点
用
途
两端圈并紧、磨 平
广泛应用于冷卷 及热卷弹簧
RYⅡ
两端圈并紧、不 磨或磨平 两端圈并紧不磨
对压缩弹簧和拉伸弹簧，弹簧刚度是指使弹簧产生单位变
形所用的载荷，即：
Gd 4 P’= P/F = 8nD3
其中 P’ —— 压缩和拉伸弹簧刚度（N/mm）
P —— 弹簧所受负荷（N） F —— 弹簧的变形量（mm） G —— 弹簧材料切变模量（N/mm） d —— 弹簧材料直径（mm） n —— 弹簧的有效圈数 D —— 弹簧中径（mm）
端部型式 端部不并紧、磨 平，支承圈为 3/4圈 端部并紧、磨 平，支承圈为 1圈 端部并紧、磨 平，支承圈为 1+1/4圈 总圈数n1 自由高度H0 压并高度Hb
n+1.5
nt+d
(n+1) d
n+2
nt+1.5d
(n+1.5)d
n+2.5
nt+2d
(n+2)d
弹簧的基本性能和设计要求
低压断路器常用弹簧的设计计算
弹簧材料的许用应力[ P ]及[ BP ] 应按负荷性质确定。
弹簧按负荷性质分为三类： Ⅰ类：受变负荷作用，次数在106 次以上的弹簧； Ⅱ类：受变负荷作用，次数在103 ～105次或冲击负荷的弹簧； Ⅲ类：受变负荷作用，次数在103 次以下的弹簧。 碳素弹簧钢丝的级别： B级：用于低应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～13.00mm C级：用于中等应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～13.00mm D级：用于高应力弹簧，钢丝直径d＝0.08～6.00mm
常用弹簧的设计计算
低压断路器常用弹簧材料及主要性能
性 能 类 别 碳素弹簧钢丝 B、C、D 级 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 许用弯曲应力 [ BP] Mpa Ⅱ类 Ⅲ类 0.3 b 0.4 b 0.5 b 0.5 b 0.625 b 不锈钢丝1Cr18Ni9 324 432 540 540 677
7）弹簧的端部结构
弹簧的基本参数
弹簧的直径（中径）
弹簧的中径D是弹簧的公称尺寸，也是各参数的计算依据，为 了保证弹簧工作时有足够的空间，设计时应考虑弹簧受载荷时簧 圈直径的变化。 对压缩弹簧来说，受载时簧圈直径会增大，增大值的近似计算 如下： 当弹簧两端固定，从自由高度压到并紧时，直径的增大值△D 为：
外臂扭转弹簧
中心臂扭转弹簧 双扭簧 扭转弹簧型式繁 多，端部结构视 装配要求而定， 推荐采用外臂、 内臂及直臂扭转 弹簧，均应用于 冷卷弹簧
直臂扭转弹簧
单臂弯曲扭转弹 簧
弹簧的基本参数
弹簧的基本参数
1）弹簧的直径（中径）
2）弹簧的旋绕比 3）弹簧的圈数
4）弹簧的螺旋角和节距
5）弹簧的高度（长度） 6）弹簧的刚度
C) 圆柱形螺旋扭转弹簧
这种弹簧主要承受扭矩作用，特性线呈直线型。 在低压断路器中常用作触头弹簧或机构及脱扣器的复位弹簧。
常用弹簧的分类
2）变径螺旋弹簧
A) 圆锥形螺旋弹簧
这类弹簧的特点是稳定性好，结构紧凑，其特性线开始是直 线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增型，有利于缓和冲击和共振，
接触器弹簧的主弹簧常选用圆锥形弹簧。
(N/mm)
G —— 剪切弹性模量 （Gpa）
弹簧力P = P’× h (N)
h —— 工作行程 (mm)
常用弹簧的设计计算
B) 按所需弹簧力（工作负荷）和使用场合确定弹簧参数 最大工作负荷 P 给定或由下式计算： d3 P= [τp ] Ⅲ（N） (Ⅲ类弹簧) 8 KD P= P=
d3
广泛应用于热卷 弹簧
用于d＜0.5mm, 且对支承要求不 高的情况，应用 于冷卷弹簧 一般用于不太重 要的弹簧，应用 于冷卷弹簧
YⅡ
YⅢ
两端圈不并紧
常用弹簧的分类
型式 代 号 简 图 特
半圆钩环
点
用
途
LⅠ RLⅠ
圆 柱 型 螺 旋 拉 伸 弹 簧
L
弹 簧 受 轴 向 拉 伸 负 荷
LⅡ RLⅡ LⅢ RLⅢ
弹簧的基本参数
压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系
端部型式 端部不并紧 不磨平 总圈数n1 自由高度H0 压并高度Hb
n
nt+d
(n+1)d
端部不并紧、 磨平1/4圈
n+0.5
nt
(n+1)d
端部并紧不 磨平，支承 圈为1圈
n+2
nt+3d
(n+3)d
弹簧的基本参数
压缩弹簧端部型式与高度、总圈数的关系
τj ≤ 1.12 [τp]Ⅲ
τj ≤ 1.25 [τp]Ⅱ τj ≤ 1.67 [τp]Ⅰ