弹簧刚度：决定弹簧性能的那个数字

**保持力。** 阀门弹簧、定位器、电刷弹簧、晾衣夹。关键在于工作位置上的力，以及它随磨损几乎不变的特性。预紧量充足的软弹簧比硬弹簧更适合此类用途，因为其力衰减较慢。 **储存能量。** 主发条、弹射器、弹簧驱动的玩具。关键在于总能量，即力-位移曲线下的面积，因此长行程比大力更有价值。 **吸收冲击。** 悬挂弹簧、缓冲器、门挡。关键在于在力仍可接受的情况下它能移动多远——而敌人是触底，即力会急剧垂直上升。 **刚度将三者联系在一起。** 其单位为牛顿每毫米（或磅每英寸），圆柱螺旋弹簧在几乎全部行程内保持其恒定。这种线性并非自然法则，而是几何结构的特性：当线圈开始相互接触时，它便不再成立。 **刚度能告诉你的两件事。** 弹簧在静止时承受多大的力——这就是**预紧力**，由装配决定，而非弹簧本身决定。以及它在断裂前能走多远，这是应力问题，也是接下来各级内容的主题。

**不要只测一个点。** 单一的力和单一的长度毫无意义，因为你不知道测量力时所依据的自由长度，也无法判断弹簧是否为线性。 **先测量自由长度**，将弹簧平放在工作台上，不接触任何物体。记录下来。对于拉伸弹簧，应测量两钩内侧面之间的距离，并在备注中注明，因为存在三种不同的测量标准，它们相差一圈线圈。 **然后在工作范围内至少取五个点。** 对拉伸弹簧悬挂已知重量，或将压缩弹簧夹在虎钳中并用测力计施压。记录的是载荷和长度，而不是载荷和变形量——变形量是通过计算得出的，若记录它，就会掩盖自由长度中的错误。 **绘图并观察曲线。** 直线意味着刚度即为斜率。末端向上弯曲的曲线表明线圈开始接触，或拉伸弹簧的钩部已达到极限。曲线不经过自由长度点则说明弹簧具有预紧力——这在拉伸弹簧中属正常，而在压缩弹簧中则是故障。 **仅对直线部分拟合斜率。** 用首末两点计算刚度是最常见的错误，因为末点通常已偏离直线段。 **在测量时计算有效圈数：** 总圈数减去两端的死圈数。对于端面磨平的压缩弹簧，有效圈数约为总圈数减二。如果由几何尺寸计算的刚度与实测刚度相差超过约10%，则说明有效圈数计数错误或钢丝直径测量有误。

**圈体贴合。** 将压缩弹簧压缩到足够程度时，每一圈都会与相邻的圈接触。此时它就是一根钢管：刚度实际上变为无穷大，而施加在它上面的任何力都直接作用在一个实心柱体上。没有任何设计会刻意达到这一状态，但很多情况都会无意中达到。 **拉钩耗尽。** 拉伸弹簧被拉得过猛时，其端部的挂钩环会先被拉直，然后弹簧圈才开始产生有意义的变化。力-变形曲线先变得平缓，然后挂钩会永久性地张开。 **产生永久变形。** 当载荷超过钢丝的屈服强度时，弹簧并不会断裂，而是恢复后比原来更短。刚度没有改变，但由于自由长度减小，各个力值都随之降低。这是一种悄无声息的失效，这也是为什么一根“变弱了”的弹簧，测量时几乎总是长度变短，而不是刚度变软。 **屈曲。** 细长的压缩弹簧不会笔直地压缩，而是会向侧面弹开。这根本不是强度失效，并且有其独立的失效等级。 **喘振。** 当弹簧循环频率足够高时，其自身的弹簧圈会发生共振，并沿弹簧传播一个波。此时弹簧所承受的应力会远高于工作变形量所暗示的数值。这就是气门弹簧需要规定固有频率的原因。 **共同点：** 以上每一种情况都是对DEFLECTION的限制，而非对刚度的限制。弹簧在达到该极限之前都是线性且性能良好的，而了解这个极限所在之处，比了解刚度更为重要。