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弹簧的特性线和刚度


  载荷F(或T)与变形f(或4)之间的关系曲线称为弹簧的特性线。
  
  弹簧的特性线大致有三种类型:
  
  ①直线型;②渐增型;③渐减型。
  
  有些弹簧的特性线可以是以上两种或三种类型的组合,称为组合型特性线。如截锥涡卷弹簧的特性线加载起始一段为直线型,变形达到一定程度后特性线便成为渐增型。碟形弹簧的特性线,起始为渐减型,后为渐增型,整个特性线呈S形。又如环形弹簧的特性线,加载时为直线型,而卸载时则为渐增型。采用组合弹簧也可以得到组合的特性线,所示为两个不同高度的并列组合螺旋弹簧的特性线。加载开始只有一个弹簧承受载荷,所以特性线只是受载荷那个弹簧的特性线。当受载弹簧在载荷作用下变形到一定程度,另一个弹簧也开始承受载荷,这时特性线开始转变为两个弹簧受载的特性线,因而其斜率发生了变化。
  
  载荷增量dF(或dT)与变形增量df(或d4)之比,即产生单位变形所需的载荷,称为弹簧的刚度,对于压缩和拉伸弹簧的刚度为:弹簧的刚度=载荷增量/变形增量。对于扭转弹簧来说刚度为:扭转刚度=载荷增量/变形增量
  
  特性线为渐增型的弹簧,刚度随着载荷的增加而增大;而渐减型的弹黄,刚度随着载荷的增加而减小。至于直线型的弹簧,刚度则不随载荷变化而变化,即:
  
  弹簧的刚度=载荷增量/变形增量=弹簧载荷/弹簧变形量=常数
  
  扭转刚度=载荷增量/变形增量=扭矩/扭转变形角=常数
  
  因此,对于具有直线型特性线的弹簧,其刚度也称为弹簧常数。单位力度使弹簧所产生的变形,即刚度的倒数称为弹簧的柔度。
  
  弹簧的特性线对于设计和选择弹簧的类型起指导性的作用。截锥涡卷弹簧特性线上可以看到,当载荷达到一定程度时,弹簧的刚度急剧增加。由于这种特性,当弹簧受到过大载荷时,弹簧的变形增加的比较小,从而可以起到保护弹簧的作用。所以,具有这种特性线的弹簧适用于空间小、载荷大的情况。如空气弹簧带有高度控制阀,则其特性线为S形,这是车辆悬架装置的理想状态。因为这种曲线的中间区段的刚度比较低,而在拉伸和压缩行程的末了区段刚度逐渐增加。这样,可以保证车辆在正常运行时很柔软,而在通过坎坷的路面,空气弹簧被大幅度拉伸和压缩时,逐渐变硬,从而能限制车体的振幅。环形压缩弹簧或板弹簧的特性线,表明在加载与卸载过程中弹簧消耗了一部分摩擦功,或者说吸收了一部分能量。因此,具有这类特性线的弹簧,适用于减振和缓冲。
  
  设计弹簧时,可用分析的方法计算出它们的特性线。但即使是最精确和最仔细的计算,其结果和实际的数值总有一定程度的差异,这是由于制成的弹簧不可避免地存在着一定的工艺误差,以及材料组织非绝对均匀性所造成的。所以,在设计弹簧时,如需要保证特性线的要求,必须经过试验,反复修改有关尺寸,最后达到所需要的特性线。
  
  在设计非线性特性线弹簧时,有的要考虑静变形。静变形系指过特性线上任意点a,作切线与横坐标轴相交,其切点与a点在横坐标轴上投影的距离即变形量fs称为切点a对应载荷Fs的静变形。

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