，～…　—＼　ｌ　断裂分析　｝　

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弹簧的疲劳断　５　

国家冶金工业局长沙冶金设计研究院厘查　塑—　［摘耍］本译文从理论上解释了弹簧疲劳断裂因素及解决弹簧疲　劳断裂问题须考虑的有效空『｜１、负荷和变形量、受力方式、荷载串、工作　环境和最低限度疲劳寿命等参数以及选择合适的材质可以提高弹簧的　姗　］堕　力［叙词］　生型生　型　兰鞲：　７）　

１前曹　弹簧通常被挤压到最小空间，此时其应力也　达到极限高度，结果造成疲劳断裂。但是，只要适　当地平衡有效空闻、材料、负荷率和操作环境等，　可以延缓疲劳断裂。　弹簧按其特性．总是要疲劳断裂的，这是由于　弹簧经反复挠曲，其钢丝断面较细，应力趋于高　限。因此，弹簧疲劳断裂率较高是无疑的。　在设计弹簧时，只简单地选择适当的断面和　弹簧形状，以满足其有效空间和承载负荷的要求　是不够的。还要着重考虑疲劳断裂的问题。对此，　必须选择有效而经济的材料，以适应一定负荷、应　力和环境条件下的要求。　在解决疲劳问题。更重要的是材料费用问题。　例如，环境因素决定用不锈钢，而不可采用碳素　钢。但在负荷极限时，增加疲劳问题，须考虑到如　下参数：　ａ有效空间、负荷和变形量　ｂ受力方式ｃ荷载率ｄ工作环境　ｅ最低限度疲劳寿命　２空间、负荷及变形量　只标准弹簧，其负荷和变形量决定其所须　具备的弹性率和能量。不同弹簧的几何尺寸由不　同的容积率决定，空间不足要获得最有效的弹性，　则导致极高的应力，往往导致疲劳断裂。太小的　空间限制了可放进一只弹簧的材料量，材料量小　意味着弹簧将受力过大，弹簧过早疲劳断裂。　３应力产生的方式　弹簧应力产生的方式对弹簧的疲劳寿命影响　很大，通常有四种方式：恒定变形量、恒定负荷、单　向应力逆向应力。　在恒定变形量的情况下，系在规定的变形量　范围内。弹簧承受的负荷可导致弹簧永久变形和　松弛，从而降低了作用应力。　车用气门弹簧就是一个很好的例子，说明在　恒定变形量情况下弹簧的作用。　弹簧具有一定的自由长度，但其经安装后，即　被紧缩。保持有效空间，并产生一定的预负荷。弹　簧在使用时，以固定的行程或变形量连续旋绕，根　据材料应力及温度的不同，弹簧可能会产生松弛　现象。并减少负荷。虽然设计气门弹簧时，将松弛　现象控制到最小程度，但仍在一定的范围内承受　负荷。　在恒定负荷（或应力）情况下，弹簧在使用时，　其负荷不发生变化，例如用作固定重量下的振动　支撑弹簧，即属此种情况。这样弹簧也可能永久　变形（或蠕变），但应力不变化。因此这种应力方　式可比在恒定变形情况下的应力方式，疲劳寿命　

维普资讯 http://www.cqvip.com 较短。　单向应力是一种负荷下的两种应力。其区别　在于一种是应力只作用于一个方向，而另一种是　应力先作用于一个方向，然后又作用于相反方向，　大多数弹簧受单向负荷，某些情况下又要受道向　负荷。两种方式可导致完全不同的疲劳寿命。　例如：图１所示，两个ｕ形弹簧，第一个弹簧　承受单向负荷，变形量振幅从　一＋ｆ，另一个　弹簧承受同样的最大负荷，但负荷是反向的，变形　幅度从一｝一＋ｆ。第二个弹簧的应力和变形量是　第一个弹簧的二倍。即使在两种情况下，最大应　力是一样的，第一个弹簧的疲劳寿命要长得多。　李逆向应力　图１单向应力与逆向应力　考虑弹簧疲劳耐力时，应力变动范围是一个重要　因素，如二个承受单向负荷的弹簧，其最大应力相　同，此时弹簧在较低应力范围下使用时，弹簧寿命　通常较长，然而应力范围越小，平均应力就越高，　这样影响弹簧的衰竭度。　铡如图２所示二种应力形式，在第一种情况　下，弹簧受单向应力，即从低拉伸负荷到高拉伸负　荷，它总是处于某种应力下，其平均应力为正值。　另一个弹簧最大应力一样，但受逆向应力，因此平　均应力为０，故第一个弹簧承受应力范围小，平均　应力值较高，较高的平均应力可能导致衰竭。　材料的选择也是影响弹簧疲劳寿命的因素之　我们再来看图１中的Ｕ型弹簧。例如弹簧　材料为高硬度的油淬火材料，金属产生塑性变形，　而使弹簧经回火处理后，Ｕ形的内侧维持平直，此　时形变后的弹簧的表面产生残余应力，而在其内　表面产生剩余拉应力，在单向负荷下，残余应力可　降低作用应力，而增加疲劳寿命。另外一方面，在　逆向负荷下，残余应力在半圈内增加使用应力。　除减少疲劳应力之外，合应力可能大于屈服强度，　而改变Ｕ形开口的尺寸。　

应力　Ｏ　

应力　Ｏ　

＋ｓ２）／２　Ｓ’　

应力振幅　

田２平均应力效果　由退火材料制成的弹簧不会发生这种现象，　因为成形后的热处理消除了残余应力，因此根据　材料和成形程度的不同．成形后的应力消除处理　能有效地降低应力，以至于最大应力低于弹性极　限。　另外一个要考虑的因素是应力集中，每一个　不同类型的弹簧都有内在的应力集中。例如：一　个经周而复始的疲劳影响的压缩弹簧，伟尔系数　（Ｗａｈｌｆａｃｔｏｒ）应包括在最大应力的计算中，其算式　为：　ｄ　０．１６．５　

ｃ——弹簧指数　弹簧中径　ｄ——线径　４荷麓率　弹簧在使用时，常常受凸轮或曲轴所引起的　往复运动的影响，运动速度高低不等。速度低时，　应力和时间的关系可由图３ａ中正弦曲线表示。　速度快时，时间和应力的关系就要复杂得多。如　图３ｂ所示。　在一定速率下，弹簧端部周期运动的频率与　弹簧固有频率中的一个面形成共振。在这种情况　下由应力集中产生的共振而使弹簧振动或波动导　

维普资讯 http://www.cqvip.com 致应力增加，从而造成过早疲劳断裂。尽管如此，　还是可以在设计时，通过加大弹簧的固有频率使　用应力的增加限制到最小程度。一般情况下，两　端固定的压缩弹簧最低固有频率至少为最大凸轴　速率的ｌ３倍，计算式为：　ｎ（ｄ／ｇＤ２Ｎ）Ｊ—Ｇｇ—／Ｖ　趟　时间　最小应力　Ｃ　ｑ）　圈３负荷的力串　弹簧内的阻尼栓　圈４弹簧阻尼　可通过改变均匀的节距（节距＝两圈问的距　离）为变节距的办法降低振动。　另外一种解决波动的方式是使用多股螺旋弹　簧。即用多股锕丝拧成钢索制成的螺旋弹簧。当　弹簧压缩时。股与股之间的摩擦降低了有害振动。　当使用这种弹簧时，须将弹簧两端部焊死，否则容　易开卷。弹簧的螺旋方向应与锕丝股的螺旋方向　相反，以确保钢丝之间的紧密接麓。　水平拉簧的情形更加复杂，如果弹簧绕曲，不　仅有轴向波动的原因，还有横向缠绕的原因。解　决这个同题的方法如图４所示，首先，锥端部及旋　钩在某些情况下可消除共振。另外一种方法是将　皮条或橡胶榫之类的屏蔽物塞入弹簧锥端部。此　类屏蔽可以防止挠曲，而使锥形端部消除波动。　高速运动的气门弹簧的典型设计是在气门弹　簧内放入一个用弹簧钢筋制成的螺旋弹簧起阻尼　作用。在设计板弹簧时，多层结构可减轻过度振　动。　５工作环境　最影响疲劳寿命的环境有以下两种：温度大　幅度起落，以及腐蚀性空气。这种环境所造成的　后果在设计时应考虑到。　对大多数工作来说，低温对疲劳寿命影响不　大。然而，如果要求弹性率很严，而且必须保持一　定限度内，那设计时，大多数材料就得改变其弹性　模数。因康镍合金８５０和镍铬钛铁定弹性系数合　金是例外。在．５０一＋１５０Ｆ之间模数变化不大。　另一方面，高温以两种方式影响弹簧材料，即　既降低弹性模数又减弱屈服强度。弹性模数的减　少与弹性率的减少成正比。较低的屈服强度可能　产生最大作用应力。　材料衰竭或蠕变也同等重要。材料衰竭或蠕　变与材料、应力、温度和进间有关，在一定形变量　条件下，衰竭及随之而来的负荷损失，甚至在室温　下，也常常发生（如果有足够高的应力），因此，温　度越高，越容易产生衰竭。然而可通过特殊制造　技术。将衰竭现象降低到最低程度。　如：若用应力大于屈服强度，高温下的衰竭一　开始便会很快发生。随着材料、温度及应力的不　同。衰竭程度将会逐渐降低。另外，弹簧中的剩余　应力可影响整个衰竭。例如，冷加工温度高时，可　能会更容易造成衰竭。　恒定变形量的单向疲劳试验表明，在高温下，　疲劳寿命明显提高。实际上，试验中的弹簧永久　变形与衰竭导致较低的作用应力，但是由于试验　的难度及费用问题，弹簧的疲劳数据是局限的。　然而。有些迹象可以表明，在一定的应力范围内，　弹簧最初试用时，弹簧的衰竭现象将低于在静态　负荷下的弹簧（温度及时间一致性）。　腐蚀性疲劳，或说是材料受环境影响所造成　的弹簧疲劳断裂。湿空气、水、盐、可燃气体、酸及　

维普资讯 http://www.cqvip.com 污物都是典型的腐蚀介质。　由于弹簧通常用刚性材料制成，而在高应力　状态下使用，对腐蚀影响甚为敏感。耐腐材料或　保护涂料的选择须考虑许多因素，其中包括腐蚀　介质、温度、疲劳压力、材料强度及涂料费用等。　下表列出了常用的弹簧涂料。漆油漆、喷漆、　涂热熔塑胶及热固结法等均能起到腐蚀的预防作　用。油漆及涂料须谨防损坏。另一方面，如镉或　锌这样的涂料，由于其具备特殊的防护功能，其受　损伤后，仍可保护母体金属。在严重的腐蚀环境　下，可使用镲台金材料作为保护。　６量低疲劳寿命　弹簧的疲劳寿命与材料强度、应力及环境有　关。材料强度又受表面性质、密度、表面杂质的分　布、类型、大小的影响。表面性质取决于材料和加　工方法，而杂质却受材料加工方法的控制。　高强度密集的剩余应力及良好的表面质量对　高次数或中等（太于ｌＯ万次）压缩次数的弹簧的　疲劳寿命特别重要。另一方面，延展性是影响疲　劳寿命的重要因素。例如有些材料在高应力和高　张紧力时显示稳定的疲劳性能。表明了这些材料　通过局部延展可具有缓解应力集中的能力。　为评价一组弹簧的疲劳寿命，须通过一有代　表性的样品进行疲劳试验。根据试验数据可绘制　出ｓ＿Ｎ曲线。高质量的材料通常有复验性的结　果。因此，只须测试几个钢丝的直径即可得到令　人满意的数据。最主要的问题是试验所需的时间　问题。例如，以最快的频率（３ＯＨｍ），弹簧压缩１００　万次，需９小时ｌ５分（见下表）。　

耐盐性　耐温性　涂料　备　注　（１１ｒ）　（Ｆ）　

镉　９６—５２８　４ＯＯ　用电镀法或机械喷涂法　锌　ｌ０ｏ一４８０　４００　黑漆　１５ｌ＆　４５Ｏ　通常用畏泡法涂上黑色。然后再烘干处理　（日本漆）　

硝基漆　３２—９６　４００　通常用喷涂法，然后风干处理　瓷釉漆　５５—４２８　２５０　硬涂层，可使用喷涂法、涂剧法或浸泡法。可风干或烘干　油漆　２７—３００　３５０　油　ｌ一３２５　２００　润滑、防锈或非干性油　磷酸盐　７８—６３８　５ｏ０　化学处理为油和漆起粘合作用　

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