彈簧種類

彈簧是透過彈性儲存和釋放能量的機械裝置。從工業機械到日常家居用品,彈簧的應用範圍非常廣泛。本指南涵蓋不同類型的彈簧、製造材料及其應用。

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彈簧如何分類?

彈簧的材質、形狀和功能各不相同,因此其用途也各不相同。彈簧主要有三種類型,每種類型又可分成不同的子類別。

線圈彈簧的種類

壓縮彈簧

當壓縮時,稱為壓縮彈簧的開卷螺旋彈簧會產生反作用力。線圈之間的距離隨著負載的增加而逐漸變小,直到達到彈簧的最大壓縮長度,此時線圈會相互接觸。彈簧的兩端可以開放或閉合;閉合端是將最後一個線圈平壓在其旁邊的線圈上形成的。另一種成型方法是將兩端磨平。

應用:當部件之間需要反作用力時,通常會使用壓縮彈簧。典型用途如下:
減震是汽車懸載系統的一項功能,可提高乘坐舒適性。
原子筆:壓縮彈簧在筆尖受到擠壓而收縮後,在鬆開筆時會將筆尖推出。
機械設備:為了防止壓力和震動造成損壞,提供緩衝和減震功能。

拉伸彈簧

拉伸彈簧(也稱為拉伸彈簧)在拉伸時會產生反作用力。儘管拉伸彈簧可以根據要求進行變形,但它們通常具有環狀或鉤狀兩端。由於拉伸彈簧可拉伸至超過其斷裂點,因此其使用主要限制在非關鍵性的應用上。

應用:拉伸彈簧廣泛應用於各種機械和小工具。典型用途如下:
拉伸彈簧為彈床提供彈性和回彈力。
車庫門:車庫門平衡系統方便門的升降。
玩具:發條玩具的驅動力由拉伸彈簧提供。

扭力彈簧

要施加或抵抗扭矩負載,需要使用扭轉彈簧。扭簧分為螺旋扭簧和非螺旋扭簧兩種。螺旋扭力彈簧從徑向(而非軸向)施力,因此可與壓縮彈簧和拉伸彈簧相媲美。螺旋扭簧主要用於多種機械的運動控制裝置。它們是由扁平或矩形材料扭曲成同心螺旋形構成。

應用:在製造應用中,扭簧經常被用作運動控制元件。
門鉸鏈:提供自動關閉機制並調節開關門的力道。
扭簧提供捕鼠器的捕捉力。
機械裝置:這些裝置包括工業機器中的運動控制裝置、晾衣夾、汽車安全帶、時鐘和座椅躺椅。

定力彈簧

時鐘和鐘表玩具經常使用恆力彈簧。它們是被緊緊纏繞的鋼帶,就像一卷卷的膠帶。當施加負載時,鋼帶會伸長,其內在應力會持續抵消負載的力。

應用:恆力彈簧適用於各種需要恆力的情況。這些情況的例子如下:
時鐘:提供穩定的力道,確保精確的計時。
發條玩具:恆力彈簧提供持續運動的驅動力。
窗簾捲簾:若要保持窗簾緊繃堅固,請使用恆定拉力彈簧。
上文概述了壓縮彈簧、拉伸彈簧、扭轉彈簧和定力彈簧及其各種用途。這些彈簧在許多日常和工業用途中都是不可或缺的。

葉片彈簧的類型

1.單片彈簧

單片彈簧也稱為單片彈簧,由單層金屬組成。這層金屬通常在兩端呈錐形以提供更一致的彎曲特性。

應用:
輕型車輛:由於設計簡單且承載能力有限,單片彈簧通常用於小型汽車和拖車等輕型車輛。
摩托車:在某些摩托車懸吊系統中。

 

2.多葉彈簧

多片彈簧是由幾個金屬層或 「片 」堆疊在一起組成的。彈簧片的長度各不相同,最長的彈簧片(稱為主彈簧片)在頂部,而較短的彈簧片在其下方。與單片彈簧相比,這些彈簧更加堅固,可以承受更重的負載。

應用:
重型卡車:用於卡車和商用車輛的懸吊系統,具有高承重能力。
巴士:常用於巴士的懸吊系統。
越野車:用於越野車,可加強耐用性和負載支撐。

 

3.半橢圓片彈簧

半橢圓形片彈簧是最常見的片彈簧類型之一。它們具有獨特的半橢圓形,其中的彈片呈弧形排列。這種設計可以有效地分配負載並改善行駛品質。

應用:
客車:用於許多客車的後懸吊系統。
輕型商用車:常見於輕型商用車,可提供更好的操控性和負載支援。

 

4.四分橢圓片彈簧

四分之一橢圓片彈簧基本上是半橢圓片彈簧的一半。它們一端安裝在車架上,另一端安裝在車軸上。

應用:
古董車:常見於古董車和老爺車。
客製化和改裝車輛:用於客製化和改裝車輛的獨特懸吊設定。

5.四分三橢圓片彈簧

四分之三橢圓片彈簧是半橢圓片彈簧和四分之一橢圓片彈簧的組合。它們為懸架系統提供了更大的運動範圍和彈性。

應用:重型及特殊用途車輛:用於某些重型和特殊用途車輛,以增強懸掛能力。

6.橫向片彈簧

橫向板簧是橫向安裝在車輛底盤上,而不是縱向安裝。這種設定較不常見,但具有獨特的懸載特性。

應用:
跑車:用於某些跑車,例如舊款的 Chevrolet Corvette。
經典車輛:出現在某些老爺車和古董車上。

7.抛物線片彈簧

拋物線片彈簧的彈片呈拋物線弧度而非線性弧度。這種設計減少了片間摩擦,使行駛更平穩,彈性更好。

應用:
現代卡車:用於現代卡車的懸吊系統,以獲得更好的負載分配和駕駛品質。
巴士和商用車輛:應用於巴士和商用車,可提高舒適性和耐用性。

碟形彈簧的類型

1.標準碟形彈簧

標準碟形彈簧為圓錐形墊圈,可在負載下偏轉,提供精確的高力輸出。它們通常單獨使用,但也可以串聯或並聯堆疊以獲得不同的負載和撓度特性。

應用
工業機械:用於離合器、剎車器和其他高負荷元件。
航太業:用於飛機組件的減震和負載分配。
汽車:用於懸吊系統、避震器和預壓墊圈。

 

2.彎曲碟形彈簧

彎曲碟形彈簧具有略微彎曲的形狀,與標準碟形彈簧相比,彎曲碟形彈簧的作用力較小,但變形範圍較大。它們通常用於需要較低、較一致力的應用。

應用
電氣接點:用於保持接觸壓力一致。
密封件和墊片:用於在不同壓力條件下保持密封完整性。
輕量組件:非常適合空間和重量有限的應用。

3.波浪彈簧

波形彈簧是具有波狀結構的碟形彈簧,可提供與標準碟形彈簧相似的力,但高度較低。它們非常適合需要緊湊外形尺寸的應用。

應用
軸承預壓:用於保持軸承負載一致,減少振動。
閥門元件:應用於閥門組件,以提供一致的力。
緊湊型機構:適用於傳統彈簧無法容納的狹小空間。

 

4.開槽碟簧

開槽圓片彈簧在圓片上開有徑向槽,可降低彈簧率並允許更大的變形。與實心碟形彈簧相比,這些彈簧的反應更靈活。

應用
負載分配:用於均勻分配機械組裝中的負載。
熱膨脹補償:應用於熱膨脹需要彈性元件的系統。
隔離震動:有效隔離敏感設備的震動。

 

5.巢狀碟形彈簧

嵌套式碟形彈簧是以嵌套配置堆疊的多個碟形彈簧,其中每個彈簧都嵌合在另一個彈簧內。這種結構在增加負載能力的同時保持了緊湊的高度。

應用
重型機械:用於需要高負載能力的重型應用。
建築設備:應用於建築機械的承重零件。
能量吸收:非常適合需要在有限空間內吸收高能量的應用。

 

6.分段式碟形彈簧

分段式碟形彈簧分段,可降低整體應力,並提供更均勻的力分布。它們在高負載條件下提供更好的耐用性和性能。

應用
高應力環境:用於標準碟形彈簧可能因高應力而失效的環境。
避震器:應用於避震器,可提高耐用性。
負載平衡:適合需要精確負載平衡的應用程式。

 

7.接觸碟彈簧

接觸盤彈簧設計有特殊的接觸點,可提高導電性並降低接觸電阻。它們通常用於電氣和電子應用。

應用
電氣連接器:用於確保可靠的電氣連接。
斷路器:用於斷路器,以保持接觸壓力一致。
電池觸點:保持電池組件可靠連接的理想選擇。

彈簧使用何種材料?

彈簧可以由多種材料製成,每種材料都有自己的特性,適合不同的應用。一些常用的彈簧材料包括

1.鋼:這是彈簧最廣泛使用的材料之一。它具有良好的強度、耐用性和彈性。使用不同類型的鋼,如碳素鋼、合金鋼和不銹鋼。碳鋼具有成本效益,適用於許多一般用途。合金鋼可在更嚴苛的條件下提供更高的強度和性能。不銹鋼因其耐腐蝕性而被選用。
- 例如,在汽車懸掛系統中,通常使用高強度合金鋼彈簧來承受持續的應力和變化的負載。

2.音樂線:也稱為鋼琴線,是一種高碳鋼線,具有極佳的抗拉強度和抗疲勞性。常用於小型精密彈簧。
- 機械腕錶中的小彈簧通常使用譜線,因為它的性能精確可靠。

3.青銅:具有良好的耐腐蝕性和導電性。青銅彈簧用於這些特性非常重要的應用中,例如電氣接點或海洋環境。

4.黃銅:與青銅類似,黃銅有不錯的耐腐蝕性,有時也用於需要非鐵金屬材料的彈簧。

5.鈦:鈦彈簧以輕量和高強度重量比而聞名,用於對減輕重量要求極高的航空航天和高性能應用領域。
- 在某些先進的航太元件中,鈦彈簧有助於在不犧牲性能的情況下,將系統的整體重量減至最低。

6.鎳合金:這些合金具有極佳的耐高溫和耐腐蝕性,因此適用於極端環境中使用的彈簧。

7.塑料和複合材料: 在某些情況下,彈簧可以由特殊塑料或複合材料製成。這些材料具有重量輕、耐化學性和電絕緣等優點。它們通常用於輕型和非金屬應用。
- 例如,在某些需要不導電且重量輕的彈簧的醫療裝置或消費性電子產品中,塑膠彈簧可能是合適的選擇。

8.彈性體:橡膠或矽樹脂等材料可用來製造類似彈簧的元件,提供彈性和吸震功能。
- 在小家電或玩具的避震器中,彈性體基彈簧可提供簡單且具成本效益的解決方案。

其他可用於製造彈簧的物質。這些物質包括各種非金屬材料,如陶瓷,可在特定的高溫或磨損環境中提供優異的耐熱性和硬度。玻璃纖維強化複合材料可為特殊應用提供強度和輕量特性的組合。一些稀有金屬及其合金也可能用於非常特殊的情況,例如需要極高的硬度或對特定化學物質的耐受性等獨特性能。這些較不常見的材料的選擇取決於特定彈簧應用的高度專業化和通常是小眾化的要求。

彈簧材料的選擇取決於所需的負載能力、操作環境、尺寸限制和成本考慮等因素。

彈簧表面處理類型


眾多彈簧塗層和金屬表面處理可滿足各種目標,包括耐磨性、防腐蝕、增強彈簧性能,以及上述所有目標。以下介紹各種彈簧表面處理:

電解拋光
雖然工件和沉積(在本例中為拾取)材料具有相同的極性,但電解拋光方法的工作原理與電鍍類似。這表示拾取金屬作為陰極,而工件則作為陽極,透過電解液完成電路。

從工件凸起的粗糙表面快速去除材料,或在這種情況下對彈簧進行去電鍍,可得到非常光滑的拋光表面。如果原始表面粗糙度小於 0.18-0.20m(微米),電解拋光可以產生表面粗糙度小於 0.05 m 的鏡面效果。

翻滾
滾揉容器內裝有不同研磨度的塑膠聚顆粒,可以旋轉或震動來提供滾揉加工。這些粒度對應於滾揉的四個階段:研磨、平滑、拋光和發光。

我們將彈簧等零件裝入滾揉容器中,並在容器上覆蓋聚乙烯顆粒(也稱為介質)。介質在使用時會接觸到零件,並利用摩擦力來拋光基材。

噴丸處理
冷加工製程稱為噴丸,是在嚴密控制的情況下,將高速的子彈流射向金屬表面。如此一來,暴露在外的金屬物體層會承受壓縮壓力,大幅降低材料的拉伸應力,並提高其抗拉強度。

人們有時會將噴丸處理與噴砂清理混為一談,因為這兩種製程類似,而且噴丸處理也會清理表面。但是,噴丸的主要目的是提高材料的疲勞強度。噴丸介質可以是鐵、鋼、玻璃丸、碎鋼或不銹鋼絲。

電鍍
電鍍是利用電流將電鍍材料離子導入電鍍基板(即彈簧)。電解液槽是用來盛載電鍍材料(附在陽極上)和需要電鍍的部分(附在陰極上)。電解液的電流會驅使電鍍材料的離子進入電鍍基板,在零件上鍍上一層薄薄的電鍍材料。

使用貴金屬或非腐蝕性金屬的碳鋼和合金鋼是最常使用的電鍍材料類型。只要鍍層完整,貴金屬電鍍就能提供絕佳的防蝕保護。錫、鎳和鉻等非腐蝕性金屬經常在鋼鐵上電鍍,以提供防腐蝕保護。然而,這種鍍層很少會覆蓋浸在水中、暴露在環境中或暴露在另一種電解液中的部分。

相反,人們經常使用鋅或鎘等惰性較低的材料作為犧牲陽極,代替基板進行氧化。

無電解鍍
無電解鍍是一種在基材上鍍鎳而不需要電力的技術。此技術不使用陽極,而是以基板作為催化劑,啟動化學反應,還原電解質溶液中的鎳離子,並將其沉積在基板上。除了催化作用之外,鎳塗層還可確保持續反應,直到基板離開電解槽為止。

此外,與電鍍不同的是,無電解鎳板是完全均勻的,可適用於所有犄角旮旯。雖然其他金屬也可以進行電鍍,但鎳及其合金是最常用的。

化學塗料
金屬的化學處理,例如磷酸洗滌,通常會使鋼材受到有限制的瞬間氧化保護。油漆塗層可提供長時間的防銹保護。要在鋼材、不銹鋼或銅表面建立抗腐蝕的屏障,最便宜的方法就是塗上黑色氧化物。在某些應用中,它們也能很好地去除光反射。

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