弹簧指数：为什么小线圈上的粗线材会“反抗”

当螺旋弹簧沿其轴线受压时，钢丝并非整体被拉伸或弯曲，而是**发生扭转**。钢丝的每一小段都承受扭矩，弹簧的变形是因为整根钢丝沿其长度方向略微卷绕。 这就得出了简单的应力公式，它其实就是圆杆扭转的公式：τ = 8FD/πd³。 **有两个因素使该公式不准确。** *直接剪切。* 载荷同时使钢丝产生侧向推力，这种剪切会在钢丝一侧与扭转剪应力相加，在另一侧相减。这一影响较小，但它总是在你不希望的地方增加应力——即线圈内侧。 *曲率效应。* 线圈内侧的钢丝所在半径比外侧的小，因此在相同扭转下，其应变更大。线圈相对于钢丝越紧密，问题就越严重。 **Wahl系数综合了这两种因素**，形成一个仅取决于旋绕比的乘数。该系数始终大于1，这也是弹簧几乎总是在线圈的INSIDE处失效的原因。 **观察断裂的弹簧即可验证这一点。** 裂纹通常始于内表面，那里应力最高，同时拉拔痕迹或锈蚀坑也最集中。弹簧是一种具有已知最危险点的部件，这一点较为罕见且十分有用。

**用千分尺而非卡尺测量钢丝直径**，并在两个相互垂直的位置测量。弹簧钢丝的圆度公差很严，但过载的弹簧可能出现线圈扁平化，而卡尺卡在弧形钢丝上会读数偏大。 **测量线圈的 OUTSIDE 直径**，因为这是你实际能够触及的数据，然后减去一个钢丝直径得到平均直径： D = D_外径 − d **不是减两个。** 这是弹簧工作中最常见的算术错误。平均直径经过钢丝的中心，因此它等于外径减去一整个钢丝直径，或等于内径加上一整个钢丝直径。 **然后 C = D/d**，你立即就能了解三件事：在给定载荷下钢丝大致承受的应力水平、弹簧是否可能是冷绕成型的，以及你正在考虑的替代件是否属于同一系列。 **对任何交到你手中的弹簧做一个快速合理性检查：** 廉价批量生产的弹簧旋绕比低于 4 的可能性很小，因此如果你的计算结果为 2.8，请检查是否错误地减去了两次钢丝直径。

**心轴要比你想要的弹簧圈小。** 钢丝释放后会回弹，回弹量取决于材料和指数。对于硬拉弹簧钢，一个粗略的起点是心轴比所需平均直径小约10%至15%，然后通过测量实际结果进行调整。没有人能一次就做对。 **回弹随指数增大而增加。** 紧密的弹簧圈主要是塑性变形，回弹后接近心轴尺寸。宽松的弹簧圈更接近弹性变形，会明显张开。这就是为什么相同的心轴和相同的工艺，在不同的弹簧上会产生不同的误差。 **用力拉紧钢丝。** 钢丝送入心轴时的张力决定螺距，并使弹簧圈彼此紧贴。送料松弛会导致螺距不均，进而使弹簧沿长度方向的刚度不均匀。 **在台虎钳中卷绕，心轴夹紧，钢丝绕过心轴引导** ——而不是反过来。手动转动心轴同时握住钢丝，比试图将钢丝缠绕在固定的杆上要可控得多。 **两端留长**，之后再裁剪。一个恰好在你想要的位置结束的弹簧圈从来不会出现。 **硬钢丝不能在低指数下卷绕后直接使用。** 当C约小于4时，弯曲外侧的应变超过钢丝的延展性，表面会开裂。这些裂纹位于受拉一侧，也就是弹簧圈的外侧，因此用放大镜即可看到。装配前请先检查。 **而且，用退火钢丝卷制的弹簧还不是弹簧**——必须事后淬火和回火，否则第一次使用时就会产生永久变形。钢琴丝和硬拉钢丝出厂时已具备强度，因此采用冷卷，之后只进行去应力处理。