弹簧特征线大致有三种:
①线性;②增量类型;③减少类型。
有的弹簧特征线可以是以上两种或三种类型的组合,称为组合式特征线。例如,截断的圆锥螺旋弹簧特征线的初始加载截面为线性,当变形达到一定程度时,特征线逐渐增大。碟形弹簧的特征线在开始时逐渐减小,在结束时逐渐增大。整个特征线为s形。另一个例子是环形弹簧的特性线,加载时为线性,卸载时逐渐增大。组合弹簧也可以得到组合特征线,如两个不同高度的平行组合螺旋弹簧的特征线所示。在载荷开始时,只有一个弹簧在承载载荷,因此特征线就是被加载弹簧的特征线。当受载弹簧在荷载作用下变形到一定程度时,另一根弹簧也开始承担荷载,这时特征线开始变为受载两根弹簧的特征线,因此其斜率发生变化。
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。对于压拉弹簧,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,其刚度为:扭转刚度=载荷增量/变形增量
特性线为增量弹簧,刚度随载荷的增加而增加;减小型的刚度随荷载的增加而减小。对于线性弹簧,其刚度不随荷载的变化而变化,即:
弹簧刚度=载荷增量/变形增量=弹簧载荷/弹簧变形=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,对于具有线性特性线的弹簧,其刚度也称为弹簧常数。由弹簧的单位力产生的变形,即弹簧刚度的倒数称为柔度。
弹簧的特性线对弹簧类型的设计和选择起着指导作用。从截断后的旋涡弹簧的特征线可以看出,当载荷达到一定程度时,弹簧的刚度急剧增加。由于这一特性,当弹簧受到过大载荷时,弹簧的变形增加相对较小,可以起到保护弹簧的作用。因此,具有这种特性线的弹簧适用于空间小、载荷大的场合。如果空气弹簧有高度控制阀,其特征线为s形,这是车辆悬架装置的理想状态。这是因为在曲线中间的刚度较低,在拉伸和压缩行程结束时刚度逐渐增加。这确保了车辆在正常运行时是柔软的,而空气弹簧在崎岖的道路上被大大拉伸和压缩,逐渐硬化,从而**了车身的振幅。环形压缩弹簧或平板弹簧的特征线表明,在加载和卸载过程中,弹簧消耗了部分摩擦功或能量。因此,具有这种特性线的弹簧适用于阻尼和缓冲。
在设计弹簧时,可以通过分析的方法来计算其特征线。但即使是细致的计算,其结果与实际值总是有一定程度的差异,这是由于弹簧制作不可避免地存在一定的工艺误差,以及材料组织不统一所造成的。因此,在设计弹簧时,如需要保证特性线的要求,必须进行测试,反复修改相关尺寸,达到所需的特性线。
在设计非线性线性弹簧时,应考虑一些静态变形。静态变形指的是十字路口的切线与水平轴通过任意点特征线,和切的投影点和点的距离在横轴上,即变形fs,称为静态变形相应的负载fs的切点。