弹簧手册 第3版

弹簧手册的渊源要推溯到1980年机械工业出版社出版的《机械工程手册》第30篇（弹簧、飞轮），之后经过扩编内容于1982年由机械工业出版社出版单行本《弹簧》一书。书中将作者们研究成果汇入其中，成为一本较为完整的论述弹簧方面的书籍，再后为了适应弹簧行业的发展，于1997年将此书修订成为《弹簧手册》由机械工业出版社出版。
本手册问世之后三十几年，承蒙各界同行的关怀，为弹簧行业作出了一定的贡献。为了适应弹簧技术发展的要求，于2008年7月进行了修订再版，成为弹簧手册第2版。 时至今日，又经历了这几年，手册在弹簧行业起到了一定的作用。这几年随着配套主机,尤其是汽车行业发展的要求,弹簧行业应时而上。无论是弹簧类型，还是材料、设计、工艺、检具和检测都有不同程度的发展，尤其是材料和工艺比较突出。为了适应弹簧行业发展的趋势，聘请多位现场科技人员,再对手册进行新一次修订即第3版,增加了12章内容，以期提高手册的实用性。
本手册以阐述应用广泛的普通圆柱螺旋弹簧的设计理论和方法为主，同时对非线性螺旋弹簧、非圆形弹簧圈螺旋弹簧，多股螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板弹簧、片弹簧、线弹簧、弹性挡圈及橡胶弹簧和空气弹簧的设计理论和方法也做了比较全面系统的阐述，并在此基础上、对弹簧的材料、制造方法和检验也进行了相应的介绍。
本手册供从事机械、仪表、电器、交通运输工具等设计、制造和弹簧行业的技术人员参考，也可供大专院校师生参考。
 

本手册是在2008年版的基础上进行全面修订。本手册在总结了近年来国内外有关先进理论和生产技术的基础上，对弹簧的设计方法、材料、加工工艺和检测等各方面进行了系统的阐述，以求提高弹簧的设计理论、设计方法和制造水平。本手册在设计方面以阐述圆柱螺旋弹簧为主，对于国内外书刊反映较少的不等节距螺旋弹簧、截锥涡卷螺旋弹簧、非圆弹簧圈螺旋弹簧、多股螺旋弹簧，以及仪器仪表用膜片膜盒和压力管等弹性元件都进行了较为深入的分析和介绍。尤其对应用日益广泛的橡胶弹簧和空气弹簧也做了比较详析的阐述。本手册系统介绍了弹簧用材料的标准、性能及其工艺性，从而加强了选择材料的意识。对弹簧的制造方法、热处理工艺和检验等实践性强的内容，在总结经验的基础上，加以理论分析，使其更具有指导性。本次修订的重点为材料和工艺，使本手册由第2版的26章增加到38章。不仅对第2、5、6章进行了重新改写，还增加了第27～38章各类专用弹簧的设计、材料、工艺和应用等内容，进一步提高了本手册全面性和实用性。

主编，张英会 北京科技大学教授，中国机械工程学会弹性装置专业委员会名誉主任。1953年毕业于西北工学院(西北工业大学).同年任教于北京科技大学(北京钢铁学院).主要从事本科生和研究生的授课、培养以及机械工程和理论研究工作. 培养有本科生、硕士生和博士生,目前均在国内外从事机械工程的教学和相关的研究工作。主要从事机械原理、机械设计、机械优化设计、机械可靠性设计、机械CAD、设计方法学及弹性原件和系统等。著作有《机械设计》人民教育出版社,北京,1979.9;等17部。主要论文《弹簧的疲劳、弹簧的优化设计》，机械强度，北京，1982，NO.2~4等12篇。 曾获国家省部级科技二等奖4项，国家省部级科技资助项目10余项 。

第3版前言
第2版前言
第1版前言
弹簧常用符号和单位
第1章总论1
1弹簧的基本性能1
1.1弹簧的特性线和刚度1
1.2弹簧的变形能2
1.3弹簧的自振频率4
1.4弹簧系统受迫振动的振幅5
2弹簧的类型6
2.1圆柱螺旋弹簧6
2.2非圆柱螺旋弹簧8
2.3其他类型弹簧10
3弹簧技术发展现状14
3.1弹簧设计的发展15
3.2弹簧材料的发展16
3.3弹簧加工技术的发展18
3.4弹簧的强化工艺技术19
3.5弹簧的表面保护工艺20
4我国弹簧的标准化20
5国外弹簧标准化21
第2章弹簧的材料25
1概述25
1.1弹簧材料的种类25
1.2弹簧材料的主要力学性能26
1.3弹簧材料的选用31
1.4弹簧材料的标准综述41
2弹簧钢42
2.1弹簧钢应具备的基本性能42
2.2弹簧钢应具备的特殊性能43
2.3弹簧钢中合金元素的作用44
2.4弹簧钢的种类、化学成分及其性能45
2.5超纯净弹簧钢46
2.6热轧弹簧钢型材48
3弹簧钢丝51
3.1冷拔强化碳素弹簧钢丝51
3.2冷拔不锈弹簧钢丝63
3.3淬回火弹簧钢丝67
3.4其他交货状态弹簧钢丝74
4异型弹簧钢材料78
4.1异型钢丝78
4.2冷轧钢带86
4.3热处理弹簧钢带94
5弹簧用合金材料96
5.1铜系合金96
5.2镍系弹性合金110
5.3其他弹性元件用合金115
6其他弹簧材料118
6.1其他金属弹簧材料118
6.2其他非金属弹簧材料120
第3章冷成形螺旋弹簧的制造技术132
1概述132
1.1弹簧制造业的类型132
1.2弹簧制造工艺卡的编制132
1.3冷成形弹簧的制造134
2冷成形弹簧的常用材料135
3冷成形弹簧的制造工艺135
4有心轴卷制弹簧136
4.1心轴直径的计算136
4.2影响有心轴卷制弹簧尺寸精度的因素137
4.3圆柱螺旋压缩弹簧的有心卷制139
4.4圆柱螺旋拉伸弹簧的有心卷制140
4.5圆柱螺旋扭转弹簧的有心卷制140
4.6圆锥、中凸和中凹形等变径螺旋弹簧的有心卷制141
5自动卷簧机卷制弹簧(无心轴卷制弹簧)142
5.1自动卷簧机工作原理142
5.2自动卷簧机的缺点145
6自动数控卷簧机146
7弹簧的去应力退火147
8弹簧的端面磨削149
8.1弹簧端面磨床及磨簧工艺149
8.2弹簧端面磨削应注意事项151
9弹簧的校正工艺151
10螺旋拉伸和扭转弹簧的制造152
10.1半机械半手工制造152
10.2自动数控弹簧成形机153
11弹簧加工的工艺装置155
11.1弹簧工艺装置的设计方法和步骤155
11.2弹簧工艺装置的设计注意事项和技术参数156
11.3弹簧典型工艺装置示例157
第4章热成形螺旋压缩弹簧的制造技术167
1热成形压缩弹簧的端部结构型式167
2坯料准备168
2.1坯料长度的估算168
2.2坯料切断方法168
3端部制扁169
3.1扁端形状和尺寸169
3.2制扁的加热171
3.3制扁方法171
3.4制扁缺陷173
4卷制前加热174
5弹簧坯料的加热装置176
6弹簧的卷制178
6.1弹簧的卷制方法和卷制设备178
6.2卷簧心轴和预制高度的确定181
7弹簧端面加工与磨削设备182
8弹簧卷制的缺陷及其预防183
第5章弹簧的热处理和强化处理191
1金属学及钢的热处理基本知识191
1.1金属晶体结构191
1.2合金与相192
1.3铁碳合金相图（铁碳平衡图）194
1.4合金钢基本知识197
1.5钢的热处理原理198
2弹簧热处理总论202
2.1弹簧的淬火和回火204
2.2弹簧的分级淬火和等温淬火212
2.3弹簧的低温去应力退火213
3弹簧热处理设备215
3.1金属材料与零件的加热和冷却215
3.2淬火加热设备216
3.3回火加热设备221
3.4淬火冷却设备222
3.5弹簧热处理生产线226
3.6热处理设备的性能评定和安全环保要求226
4各类弹簧的热处理227
4.1螺旋弹簧227
4.2扭杆弹簧的热处理229
4.3汽车横向稳定杆的热处理230
4.4钢板弹簧的热处理233
4.5碟形弹簧的热处理234
4.6膜片弹簧的热处理237
4.7平面蜗卷弹簧的热处理239
4.8有色金属合金弹簧的热处理241
4.9特种材料弹簧的热处理245
5弹簧的特殊处理252
5.1弹簧的应力松弛和抗应力松弛处理252
5.2弹簧的喷丸强化处理256
5.3弹簧的化学热处理强化261
第6章弹簧的表面处理266
1概述266
1.1弹簧的表面损伤失效模式266
1.2弹簧的腐蚀失效266
1.3弹簧的应力腐蚀和腐蚀疲劳模式267
1.4弹簧的表面处理268
2弹簧表面的预处理268
2.1弹簧表面的去油和去锈268
2.2弹簧表面的去铜处理272
2.3弹簧的表面预处理272
3弹簧的化学转化膜处理274
3.1氧化处理274
3.2磷化处理279
4弹簧表面的金属防护284
4.1弹簧表面的金属电镀防护284
4.2金属与合金涂层防护286
5弹簧表面的非金属防护(涂装)290
5.1弹簧表面的油漆涂装290
5.2弹簧表面阴极电泳涂装291
5.3弹簧表面静电粉末喷涂293
6弹簧表面处理的质量检验295
第7章弹簧的检测和试验297
1概述297
2弹簧材料的检验298
2.1弹簧材料表面质量的检验298
2.2弹簧材料力学性能的检验299
2.3弹簧材料金相组织的检验300
2.4弹簧材料化学成分的检验301
3弹簧的检测301
3.1弹簧尺寸的检测301
3.2圆柱螺旋弹簧特性的检测309
3.3弹簧外观检测315
3.4弹簧磨削端面表面粗糙度检测315
3.5弹簧热处理和表面处理质量的检测316
3.6弹簧喷丸质量的检测319
3.7弹簧的无损检测324
3.8弹簧清洁度检测326
3.9弹簧残余应力检测328
4弹簧试验329
4.1弹簧疲劳和松弛试验329
4.2圆柱螺旋弹簧立定及永久变形的试验330
4.3弹簧振动试验331
4.4弹簧的冲击试验331
第8章弹簧的疲劳强度333
1变应力的类型和特性333
2弹簧的疲劳失效335
3疲劳曲线(S-N曲线)337
4影响弹簧疲劳强度的因素338
5弹簧的疲劳试验339
6疲劳试验数据的处理342
7极限应力图及其绘制方法349
8弹簧安全系数的计算354
9受稳定变应力螺旋压缩弹簧的最佳设计原则355
10受不稳定变应力弹簧的计算准则356
11断裂力学在弹簧设计中的应用简介359
第9章圆柱螺旋弹簧的基本理论363
1圆柱螺旋弹簧的几何参数363
2圆柱螺旋弹簧的受力分析364
3圆柱螺旋弹簧的应力分析367
4圆柱螺旋弹簧的变形分析370
5圆柱螺旋弹簧的稳定性379
5.1圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性379
5.2圆柱螺旋扭转弹簧的稳定性383
6圆柱螺旋弹簧的自振频率385
7弹簧受冲击载荷作用时的应力和变形分析389
第10章圆柱螺旋压缩弹簧392
1圆柱螺旋压缩弹簧的特性392
2圆柱螺旋压缩弹簧的结构393
2.1圆柱螺旋压缩弹簧的结构型式和参数计算393
2.2圆柱螺旋压缩弹簧的典型图样396
3圆柱螺旋弹簧的负荷类型及许用应力397
3.1静负荷与动负荷397
3.2许用应力选取的原则397
3.3冷卷弹簧的试验应力及许用应力398
4热卷弹簧的试验应力及许用应力399
5圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算399
5.1圆柱螺旋压缩弹簧的基本计算公式399
5.2圆形截面材料的圆柱螺旋压缩弹簧400
5.3矩形截面材料的圆柱螺旋压缩弹簧401
5.4方形截面材料的圆柱螺旋压缩弹簧403
5.5扁形截面材料的圆柱螺旋压缩弹簧404
5.6圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式404
6圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算方法405
6.1应用基本公式设计计算方法406
6.2弹簧直径D（或D1、D2）为定值时的设计计算方法408
6.3弹簧为最小质量，或最小体积，或最小自由高度的设计计算方法409
6.4弹簧的图解设计方法411
6.5矩形和圆形截面材料压缩弹簧的比较选择计算方法413
7大螺旋角圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算415
7.1圆形截面材料大螺旋角压缩弹簧415
7.2矩形截面材料大螺旋角压缩弹簧416
8圆柱螺旋压缩弹簧受振动载荷时的设计计算417
9强压处理的圆柱螺旋弹簧的设计计算419
10受轴向和径向载荷作用的圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算420
10.1螺旋弹簧的径向刚度420
10.2螺旋弹簧的径向稳定性421
10.3螺旋弹簧的切应力421
11圆柱组合螺旋压缩弹簧的设计计算422
11.1等变形并列式组合压缩弹簧422
11.2不等变形并列式组合压缩弹簧424
11.3直列式组合压缩弹簧426
12圆柱螺旋弹簧的优化设计计算427
13圆柱螺旋弹簧的可靠性设计计算431
13.1弹簧的概率设计432
13.2可靠性设计中的均值和标准离差433
14圆柱螺旋压缩弹簧的调整结构436
第11章圆柱螺旋拉伸弹簧462
1圆柱螺旋拉伸弹簧的特性462
2圆柱螺旋拉伸弹簧的结构设计463
3圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算466
4圆柱螺旋拉伸弹簧的拉力调整结构468
第12章圆柱螺旋扭转弹簧486
1圆柱螺旋扭转弹簧的特性486
1.1扭转弹簧的基本几何参数和特性486
1.2扭转弹簧的试验扭矩和试验扭矩下的变形角486
2圆柱螺旋扭转弹簧的结构设计486
2.1扭转弹簧的结构型式486
2.2扭转弹簧的结构参数计算488
3圆柱螺旋扭转弹簧的许用弯曲应力489
4圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算公式490
4.1圆形截面材料扭转弹簧的设计计算491
4.2矩形截面材料扭转弹簧的设计计算491
4.3椭圆形截面材料扭转弹簧的设计计算492
4.4扭转弹簧的疲劳强度校核492
4.5扭转弹簧的简易计算法496
4.6组合扭转弹簧的设计计算496
5圆柱螺旋扭转弹簧的安装示例497
第13章非圆形弹簧圈螺旋弹簧502
1矩形和方形弹簧圈螺旋压缩弹簧502
1.1矩形弹簧圈弹簧的几何尺寸关系502
1.2矩形弹簧圈弹簧的设计计算502
2椭圆形弹簧圈螺旋压缩弹簧506
2.1椭圆形弹簧圈弹簧的几何尺寸关系506
2.2椭圆形弹簧圈弹簧的设计计算507
3卵形弹簧圈螺旋压缩弹簧507
3.1卵形弹簧圈弹簧的几何尺寸关系507
3.2卵形弹簧圈弹簧的设计计算508
第14章非线性特性线螺旋弹簧511
1不等节距圆柱螺旋压缩弹簧511
2截锥螺旋压缩弹簧514
2.1截锥螺旋压缩弹簧的几何尺寸514
2.2截锥螺旋压缩弹簧的变形和强度计算516
2.3截锥螺旋压缩弹簧变形和强度计算公式519
3中凹和中凸形螺旋弹簧523
3.1等螺旋角中凹形螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算524
3.2等节距中凹形螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算524
3.3等应力中凹形螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算525
4截锥涡卷螺旋弹簧525
4.1等螺旋角截锥涡卷螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算526
4.2等节距截锥涡卷螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算527
4.3等应力截锥涡卷螺旋弹簧开始有弹簧圈接触后的变形与强度计算527
4.4截锥涡卷螺旋弹簧变形和强度计算公式528
第15章扭杆弹簧535
1扭杆弹簧的结构、类型和用途535
2扭杆弹簧的载荷计算536
3扭杆弹簧的变形和应力计算537
3.1圆形截面扭杆弹簧的变形和应力计算537
3.2矩形和方形截面扭杆弹簧的变形和应力计算538
4扭杆弹簧的端部结构

本手册问世之后历经三十几年， 承蒙各界同行的关怀， 为弹簧行业做出了一定的贡献。
为了适应弹簧技术发展的要求， 于 ２００８ 年 ７ 月进行了第 １ 次修订， 成为 《弹簧手册》 第 ２版。 时至今日， 随着配套主机， 尤其是汽车行业发展的要求， 弹簧行业应时而上。 无论是弹簧类型， 还是材料、 设计、 工艺、 检具和检测都有不同程度的发展， 尤其是材料和工艺发展比较突出。 为了适应弹簧行业发展的趋势， 聘请多位现场科技人员、 机械行业和大学的有关研究人员， 再对本手册进行一次修订， 以 《弹簧手册》 第 ３ 版的形式呈献给读者。
本次修订的重点为材料和工艺， 除此之外， 增加了专用弹簧， 如汽车悬架弹簧及气门弹簧等的设计和工艺。 以期形成材料、 设计、 工艺、 应用和创新较为全面的弹簧技术手册， 以及提高本手册的实用性。 具体实施如下。
１） 对本手册进行全面检查， 修正不实之处， 并进行补遗。
２） 对较为先进的设计技术， 如有限元分析法等， 给以适当的补充。
３） 材料部分由中钢集团郑州金属制品研究院邱文鹏、 姜岩、 邢献强等专家进行修订和编写。
４） 弹簧的热处理和强化处理部分由浙江美力科技股份有限公司总工程师屠世润等专家进行修订和编写。
５） 上海中国弹簧有限公司原总工程师孙云秋编写了汽车悬架弹簧、 气门弹簧、 汽车离合器减振弹簧及喷油器调压弹簧、 弹簧的超低温渗氮工艺等四章。
６） 上海中国弹簧有限公司王晓地编写了 “汽车稳定杆制造” 这一章。
７） 扬州核威弹簧有限公司总工程师郭斌进行补充编写的内容： 碟形弹簧的制作工艺、环形弹簧的制作工艺、 片弹簧的制作工艺、 涡卷形弹簧的造作工艺等共四章。
８） 东风汽车悬架弹簧有限公司高级工程汤银霞编写了 “钢板弹簧制造工艺” 这一章。
９） 秦皇岛大学黄文教授和陆宏教授编写了 “有限元分析法” 这一章。 并为了适应读者不同的水平， 简单扼要介绍了有限元的基本理论， 在此基础上列举了几种弹簧的应用。 同时也指明了有限元分析法是数值的近似解法， 不是数值的精确值。
在专用弹簧的阐述中， 为了所述弹簧的完整性， 有些内容会出现与其他章节重复。 如第２ 章弹簧材料的一些性能与第 ５ 章弹簧的热处理和强化处理中的某些内容有些重复； 又如第３２ 章悬架弹簧中的喷丸处理就与第 ５ 章中的喷丸处理内容有某些重复。
在此次修订中， 对于标准的应用做了较为详尽的阐述。 除了在相关的章节引述外， 弹簧标准化技术委员会姜膺秘书长撰写了 “２０１０ 年至 ２０１５ 年制订和修订弹簧标准” 这一部分，介绍了一些较新标准的特点和应用。
在技术层面， 对与弹簧有关的国际较先进的标准， 在本手册中给以适当的介绍， 因而出现了同一技术名词， 有不同的代表符号， 如材料的抗拉强度， 国内旧标准用 σｂ， 国际标准及国内新标准用 Ｒｍ。 在弹簧的热处理方面， 退火与回火工艺名称的使用含混， 弹簧冷卷后的退火往往俗称为回火， 本手册未对此深究。
在此次修订过程中得到了浙江美力弹簧有限公司章碧鸿总经理、 立洲集团李小平董事长、 常州自强机械有限公司马友芳总经理、 上海汽车股份有限公司中国弹簧厂程建中高级政工师等的支持与协助， 对此深表谢意。
本手册涉及面较广， 不实与疏漏之处在所难免， 望读者予以指正。
在本手册第 ３ 版问世之际， 本手册作者苏德达教授、 周平钢工程师 （先期参与整理资料） 先后逝世， 在此表示哀悼， 世人对他们的业绩将会铭记。