【设计知识】弹簧材料、特性、原理等相关知识点汇总，一网打尽
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“弹簧”被组入到各种机构中，发挥出弹簧各自的作用。但相对于显著的要素部件来说，它担当的是辅助的角色。但是，它与可靠性、高速运动性能、小型轻量化和操作性等之间有很深的关系。即使在今后的技术进步中，弹簧也是一种重要的LCA部件。
（1）弹簧这一名称的起源
将锤悬吊在弹簧上，然后对该锤施加振动后，弹簧就会以固有的值反复振动。 |
基于弹簧的使用条件的使用方法见下表。
使用条件 | 使用目的 | 弹簧的种类 |
静态条件 | 荷重的规定和调整 [1] | 秤、安全阀等的弹簧垫圈 |
所积蓄能量的使用 [2] | 测量仪器和钟表等的盘簧自动设备用的拉伸弹簧 | |
动态条件 | 振动的缓和[3] | 防振弹簧 |
冲击能量的吸收 [1] [2] | 可吸收冲击的减振器升降机的缓冲弹簧 |
弹簧的种类和特点
「弹簧」按照形状分类如下。
【表1】按照形状分类的弹簧种类
弹簧的种类 (按形状分类） | 概况 | 图号 |
a）螺旋弹簧 | ・最普及的弹簧 ・制造简单高效、价格低廉 ・具有压缩·拉紧·扭转等弹簧功能 | |
b）发条弹簧 | ・发条是代表形状，通过弹簧的弹性形变使其具有旋转的功能 |
压缩弹簧的负载和形变关系
（1）负载和形变的关系
施加在弹簧上的负载：P和挠度（形变量）：δ成比例（线性）关系，根据 「胡克定律」。比例常数k称为「弹簧常数 」。 【图1】显示了负载和形变之间的关系。在这个图中，斜度表示弹簧常数：k。
P ＝ k x δ k：弹簧常数 |
利用这一特性，我们设计和制造了测量物体重量的“弹簧秤”、需要一定力量动作的安全阀用弹簧等。
（2）具有不同负载特性的弹簧
弹簧的负载-形变关系除了上述（1）所述的线性特性以外，还有非线性的弹簧。
以压缩螺旋弹簧为例，其中负载和形变为非线性特性的有以下3种。
非线性压缩螺旋弹簧中[1]螺旋直径，[2]间距和[3]线径中的至少一个以上的设计参数，通过变换螺旋弹簧的位置，负载的增加，来实现线条或线条与座位表面相互接触。
上述列举的代表性非线性特性弹簧的优点·缺点总结如下。
■ 代表性非线性特性弹簧的优点和缺点
非线性特性弹簧的种类 | 优点 | 缺点 |
圆锥螺旋弹簧 | ・弹簧形变时候可以避免和周围发生接触等。 ・座面接触型密着度地。 | ・在等线径情况下，随着螺旋径变小，所吸收的能量也变小。 ・线间接触型密着度变高。 |
不等间距弹簧 | ・价格低廉 | ・密着度高・质量大 |
锥度螺旋弹簧 | ・密着度 ・可以比不等间距的质量小 | ・造价高 |
拉伸弹簧的负载和形变关系
1）关于有初张力的拉伸弹簧
・在拉伸弹簧中，即使在无负载的状态下，弹簧圈之间相互作用的力：可以形成初张力。
・这种初张力在由密着状态形成时，通过弹簧线在螺旋方向紧密缠绕扭转而获得的。
・在通过冷成型紧密卷绕加工形成弹簧的情况下，尽管在一定程度上产生了初张力，但是主动形成初始张力的弹簧被称为有初始张力的弹簧。
・没有初张力的弹簧和有初张力的弹簧的负载-形变量特性如下所示。（【图1】）
・【图1】的拉伸弹簧负载-形变量关系式用【公式A】来表示。有初张力的弹簧拉伸弹簧的负载-形变量关系式用【公式B】来表示。
【公式A】
负载P（N）= 弹簧常量 k（N/mm） x 形变量 δ（mm）
【公式B】
荷重P（N）= 初张力Pi（N） 弹簧常量 k（N/mm）x 形变量 δ（mm）
・初张力Pi由下述公式算出。
（2）有初张力的弹簧的优点·缺点
有初张力的弹簧的优点·缺点如下表所示。
优点 | 缺点 |
・可抑制在无负载的情况下弹簧的不稳定性。・可以进行弹簧的小型化设计（负载大，弹簧常量小）。 | ・在指定长度内负载变化可能会很大。・即使在低温退火卷曲，在需有必要进行校形时，也不能进行充分的退火。 |
（3）拉伸弹簧的各种形状
拉伸螺旋弹簧的形状在弹簧特性面上有时不具有非线性，大致有圆筒形和双重拉伸两种。这两种外形的弹簧又存在多种端部的钩形。
■ 一体式双头钩形
半圆形钩，圆形钩，反向圆形钩，侧面圆形钩，角形钩，U形钩，V形钩等
■ 分体式挂钩形
拧圆形、栓形、板型
（a）线性特性吸收存储的能量
弹簧受到负载后，根据胡克定律，产生形变（【图1】）。当弹簧受到载荷时，根据胡克定律（图1）产生挠曲（形变）。如果从这个状态快速松开负载，弹簧会震荡恢复到原来的状态。因此，在负载状态下，弹簧因形变而累积能量。
这种弹簧存储的能量用下列表达式来表达。
弹簧存储的能量U ＝ k ・δ2 / 2 k：弹簧常数 δ：形变量 |
这个表达式相当于【图1】中三角形OAB的面积。
如果把【图1】中三角形OAB面积的大小认为是弹簧能量存储的能力的话，那么以下说法也成立。
＊ 相同弹簧的存储能量，形变量越大，存储的能量越大。
＊ 不同的弹簧，即使弹簧常数小，形变量大也能获得相当量的能量存储。
这方面的例子包括精密仪器减震器和免键轴衬【图２】。
（b）非线性特性的弹簧吸收存储的能量
・根据弹簧的构造，弹簧形变时会吸收存储能量。
・轮型弹簧（【图3】）是由具有圆锥面的结构的内轮和外轮交叉重叠的弹簧，在轴的方向施加作用力时，内轮和外轮的圆锥面产生摩擦力。因为这个摩擦力吸收了一部分由形变产生的能量，所以经常被应用在缓冲装置（参考【图4】）。
・【图4】所示，一次形变所吸收的能量相当于【图4】中负载－形变曲线所包围的面积。
通过弹簧常数（ k ）、放在弹簧上的物块质量（ M ）来解说关于弹簧的振动特性。
・【图1】模型中，把物块按到任意位置然后松开，物块会凭借弹簧的存储能的特性进行上下方向的振动。
・固有频率是表示目标弹簧的固有振动特性，表示在一定时间内振动了多少次的特性。
・这个固有频率是由要安装的质量（或悬挂）质量（Ｍ）和弹簧常数（k）来确定的。因此，即使弹簧从较强拉伸状态释放或是从较弱状态释放，弹簧的固有振动频率是不会改变的。
・质量大小的影响（Ａ）和弹簧弹簧常数的大小的影响（Ｂ），振动频率的大小影响（Ｃ）用实例进行解说（【图2】）。
下面介绍有效利用弹簧的固有频率的实例。
【例】和减震器一起使用，来吸收冲击。
【例】在轻微振动也会受到影响的半导体设备（例如精密定位设备等）中，根据从周边传递的振动频率选择性地使用防振橡胶、螺旋弹簧、空气弹簧，并且施加振动隔离措施。
注释
所谓防抖：防止产生振动的设备，通过防震材料，向设备周围传播振动。
所谓防震：防止防震的设备受外部传播的振动的影响。
弹簧的固有振动频率（f0 ）和设备整体（作为弹簧系统考虑）的固有频率（ f ）不要一致。而且设计时要和设备整体的固有频率拉开一定距离。
弹簧的固有振动频率（f0 ）和设备整体的固有频率一致的话，产生共振，设备的振动幅度为最大，造成震颤和破坏等事故的主要原因。
自振是螺旋弹簧本身的固有振动。由于弹簧存在质量，当频率分量接近弹簧的固有频率的外力作用时，出现称为自振的剧烈的弹簧振动现象。当弹簧随着凸轮高速压缩和拉伸驱动时，弹簧本身与凸轮扬程曲线的高频振动发生共振等叫做自振。
（1）所谓自振
・当螺旋弹簧受到冲击时，扭转沿着线圈导线做冲击波传输。这个冲击波叫做自振波。
・这个自振波沿着弹簧股往返一次的时间T叫做自振时间。自振时间和自振速度可通过以下公式计算。
・当螺旋弹簧经受强制振动时，如果其周期等于自振时间T，或者1/2，1/3，则会发生称为自振的共振现象。
（2）自振的防止对策
（1）改变凸轮的形状
凸轮的转速和弹簧的固有频率引起的共振，为了使频率范围的幅度变小，改变凸轮的设计形状。
（2）采用不等间距弹簧
不等间距弹簧具有在形变量变化时固有振动频率也会变化的特性。通过选择不会引起共振的不等间距弹簧可以避免自振。
非线性弹簧，对负荷的发条的变形量，无论敏感钝感都能修正，根据构思可以设计出有趣的活用方法。在这里介绍具有代表性的非线性弹簧特性的物件。
这里介绍的各种弹簧设计方法请参考弹簧技术研究会编著日刊工业新闻社发行的「弹簧的设计和制造・可靠度」等参考书。
■ 活用事例
・支持搭载重量不同的多机型夹具的弹簧
・用于人工作业检查用夹具的调整弹簧
・护罩等减轻重量用的辅助弹簧
・单触式开关进行开闭的压缩弹簧
（a）组合弹簧
多个压缩螺旋弹簧串联和负载—形变特性
多个压缩螺旋弹簧重叠组合的弹簧及其负载—形变特性
（b）板弹簧
两端支撑部分可以滑动的叠层板弹簧及其负载—形变特性
（c）发条弹簧
发条弹簧（在仪器中等使用）及其负载—形变特性
（d）碟形弹簧
碟形弹簧及其负载—形变特性
（e）膜片弹簧
膜片弹簧及其负载—形变特性
（f）恒定负载发条弹簧
恒定负载发条及其负载—形变特性
（g）恒定负载弹簧
恒定负载弹簧及其负载—形变特性
弹簧的固定方法弹簧两端的固定方法对弹簧运动的稳定性是非常重要的。压缩螺旋弹簧，拉伸螺旋弹簧弹簧两端都有较好的固定方法。在这里，我们将解释两种弹簧的固定方法及其特点。
（1）压缩螺旋弹簧的固定方法
压缩螺旋弹簧的两端固定方法，从保持弹簧的自由度，避免压曲，防止载荷点偏离等方面考虑，采用下面的固定方法【图1】。（b）在中心的两端固定方法，使用MISUMI：压缩弹簧用垫圈（SPGCC等），两端有导向孔，放入弹簧并保持其稳定性， 这种方法很常见。
（2）拉伸螺旋弹簧的固定方法
拉伸弹簧两端有各种各样的挂钩。ａ）是标准的形状，ｂ）、ｃ）的特点如下所示。
挂钩形状 | 特点 |
V型挂钩 | 可以减小附件和弹簧钩部分的间隙（活动量），所以经常用于测量仪器。 |
角型挂钩 | 当安装部位形状是平板形时采用。 |
a）圆形挂钩时，使用拉伸弹簧用支柱（ASPO、ASPL等）的话，调整会很简单。（【照片1】）
弹簧的弹簧特性是由弹簧材料及其热处理和成型工艺（热成型法，冷成型法）产生的。
（1）热成型和冷成型
■ 热成型
弹簧的形状成型以后为了得到必要的强度和目的，进行淬火·回火处理的成型方法。
■ 冷成型
通过淬火·回火处理或者拉伸线材等加工，用有一定强度的材料来成型的加工方法。
（2）弹簧材料
代表性的材料和用途如下表所示。
【表1】代表性金属弹簧材料优点 | 缺点 |
・可以做成复杂的形状 | ・强度小 ・表面硬度小 |
塑料弹簧根据表【表2】的特性，用于固定管子和电线挂钩等的。
弹簧设计的计算公式 我们经常用到的弹簧设计绝大部分是压缩螺旋弹簧或拉伸螺旋弹簧。 这两种弹簧设计，涉及下面的项目。 在这里将关于a），b），c）进行解说。
a） | 在使用范围内，弹簧负载和形变量：弹簧常数 |
b） | 安装弹簧的空间：长度x外形 |
c） | 弹簧的固定方法：弹簧的两端形状和固定方法···（参照第230讲） |
d） | 其他：弹簧刚度（永久变形），疲劳度 |
（1）弹簧常数和弹簧形状尺寸的关系式
弹簧的形变量和负载（力）的关系在第224讲中介绍了胡克定律。
P ＝ k x δ P：弹簧负载 k：弹簧常数 δ：弹簧挠度（形变量） |
「k：弹簧常数」用弹簧材料特性和弹簧形状可以用下述公式表达。这个公式压缩螺旋弹簧和拉伸螺旋弹簧都适用。
k ＝ P/δ ＝ G x d4／8 x n x D3 ・・・（A） G：横向弹性系数（杨氏模量） d：线径 n：有效匝数 D：平均线圈直径 |
通过使公式（A）变形，暂时设定D（平均线圈直径），d（线径），k（弹簧常数）来计算有效匝数：n，或者根据已知的P，D，d，n ，来计算形变量：δ。
（2）弹簧的长度、外形的设计
弹簧长度是根据「允许形变量」与弹簧载荷之间的关系来选择和设计的。「允许形变量」是会使弹簧变形或损坏的最大变形量（参考【图1】）。
微米·纳米定位用平行弹簧
在精密定位中，涉及（1）驱动器、（2）精密定位机构、（3）控制方法，三要素技术。在这里，将介绍在（2）精密定位机构中采用微米至纳米范围的微定位机构的平行弹簧。
（1）平行弹簧的原理（参考【图1】）
・平行四边形的形状即使高度改变也可以利用两边平行，使用单轴做微小移动。
・由于弹簧力总是有一个向上的作用力，所以可以忽略间隙。
（2）平行弹簧和制动器组合使用的实例
1. 平行弹簧和（滚珠丝杠＋旋转电机）的组合（照片1）
在这种情况下，滚珠丝杠的振动产生误差（横向、纵向），所以把平行弹簧结构设置在滚珠丝杠螺母的壳体中。 |
2. 平行弹簧和电缸的组合
这种组合用于许多纳米滑台。 用一般的二轴线性运动单元（滑动导轨 滚珠丝杠 旋转电机）做为粗动载台，并安装在其上以进行精确定位控制。
在保证大量ppm级产品的品质前提下，随着生产技术的进步，为了实现不良品不发货，实施全面检测。LSI等自身具有庞大的构成要素的集合体也要全面检测。还有移动电话等消费类产品也包括液晶显示元件，庞大的构成要素的集合体进行全面检测。
微型接触式探头是实现低成本全面检测的关键部件。 下面我们概述了纳米微米世界的一角，微探针技术及其弹簧。
（1）微型接触式探针的尖端技术
※ 出自：羽贺、其他；微型接触探针的开发、研究专题集No17
【照片1】是普通微型探针最小尺寸的一个例子。右侧是0.5毫米自动铅笔芯。旁边是一个外径为0.3毫米的微型探针。左边是螺旋弹簧针座和前端的探针。
【照片2】是螺旋弹簧座内有线径75μm的微型压缩螺旋弹簧。可以保证10万次的疲劳强度。
【照片3】是用LIGA工艺制造的LSI测试用的微型探头（参照【图2】）。整体形状如【图1】。该材料通过使用微结构Ni-Mn合金（Hv：620，杨氏模量：200GPa）的电铸来生产。
※ 出自：同上
（2）微型接触式探针单元的设计要点
在采用这种微型探针的接触探针单元的设计中，微型接触式探针在检查工件移动作业时，防止探针损伤的安全机构是非常重要的。
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