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塑料弹簧的设计与制造

作者：华中科技大学张宜生梁书云李德群

摘要本文介绍了塑料弹簧的优势、特定

的应用空间和材料选择原则及计算校核

方法。在结构设计上创造性地使用塑料弹簧，可以实现其独特的功能，而先进的CAD/CAE

计算手段有助于塑料弹簧的设计制造。

关键词塑料注塑成型弹簧设计CAD/CAE

在设计中改用塑料制作塑料弹簧能够简化结构、节省费用，但不能简单地套用金属弹簧的设

计方法。一般来说，塑料只能用于不需瞬时恢复的弹簧。塑料弹簧最好是间歇工作，即弹簧

产生一个短时间规定的力，而其他时间处于松弛状态。塑料弹簧的弹性恢复时间应至少等于

处于载荷下的时间。

塑料弹簧的应用并未因此而受到限制，因为大多数弹簧都是非连续使用的。在着手塑料产品

设计时，必须考虑这个问题。虽然如此，塑料弹簧在某些产品设计中的应用是非常成功的，

例如，转锁中的弹簧只用于调节转动应力。图1所示的锁扣，仅靠弹簧实现锁紧和松开，

在这种情况下采用塑料弹簧是十分合理的。

1塑料弹簧的优势

金属的特性对塑料来说是不可比拟的。例如，钢的弯曲模数是常用注塑成型塑料弹簧的30

到100倍。可是，塑料弹簧有其特定的应用空间，它与金属弹簧相比其优点如下：

＊零件整体化：在这一点上可与金属弹簧竞争，金属弹簧与塑料弹簧存在着整合性差别。

也就是说，设计师可以创造性地使用塑料弹簧。零件整体化意味着结构简化，易于安装、成

本更低，重量更轻。

＊可回收性：带有金属弹簧的零件，如果质量、规格不合格，常常会报废。塑料弹簧允许

全部零件回收利用。

＊耐腐蚀，不生锈“”。

＊自然光顺，具有模塑上色的便利。

＊相对机械加工来说制造成本降低。

1.1弹簧及其蠕变

对于塑料制造的弹簧，要注意金属和塑料的弯曲模数的差异。可供选择的树脂包括聚乙烯、

聚丙烯、聚脂、ABS、尼龙和硫化聚乙烯。材料的回弹性是重要的选择因素。

比起金属来，用最好的树脂做的弹簧在持续载荷下会很快老化失效。乙酰基聚合物在1000

小时（大约6周）后失去原有弹力的50%，10,000小时后（大约1年），失去原有弹力的

60%，而100,000小时后（大约11年）失去原有弹力的三分之二[2]。

通常，结晶乙酰基和硫化聚苯撑比聚乙烯和ABS有更好的抗蠕变性。如果模具温度过低的

话，在注塑成型过程的最后阶段，结晶材料的蠕变率将显著上升。

1.2材料的选择

弹簧的材料选择取决于所需要的特性。需考虑的因素有抗蠕变性、载荷、疲劳极限和耐化学

侵蚀性。乙酰基聚合物是最常用的材料。其它可用材料及它们的特性如下：

l聚乙烯和聚丙烯便宜，但拉伸恢复性差，抗蠕变性差。它们只能用于短期负荷，其疲劳响

应中等，但抗化学侵蚀性好。

l酰基共聚物较昂贵，但持续载荷特性好、抗蠕变性好，但它不适合在小于4PH值的酸性

环境下工作。

l线性硫化聚亚苯基材料比乙酰基共聚物更脆，更适合高负荷、小位移的应用。它有好的抗

蠕变性、好的抗疲劳特性，并能在高温下保持其韧性。当它暴露在化学侵蚀条件下也能长期

正常的工作。

l尼龙在干燥条件下比较耐磨，但当它暴露在50%的相对湿度下时，其刚性下降达25%。

l对于简单、偶尔使用的弹簧来说，选用ABS是合适的，但其抗蠕变性较差。

在材料中使用填充物可改善弹簧的特性。在材料中填充玻璃纤维增加了刚性和强度，但其挠

度受到限制。环境温度也影响塑料弹簧的性能。多数塑料在室温下特性最好，环境温度越

高弹簧的材料越接近软化点。

此外，要考虑防紫外线问题。如果塑料弹簧安装在产品内部，或者安装在背光处，可以避免

紫外线辐射引起的塑料老化问题。对那些户外使用的产品，例如园林工具和体育运动设备，

紫外线的照射可以破坏弹簧功效。在这种条件下，必须根据材料的抗紫外线典型数据决定

所选材料能否在紫外线暴露下工作。

2板型塑料弹簧的设计

在通常的机械设计中，金属弹簧往往是一个独立的标准零件。制造弹簧的材料与其它装配零

件的材料有所不同，不论是螺旋弹簧或板簧，其制作材料有较好的恢复性和抗疲劳特性。从

制造方法上来看，以冲压或弯卷最为普遍。

与金属弹簧不同，塑料弹簧往往与零件的其它部分一起注塑成型。因此，其弹性体部分与其

它部分是同一种材料。很明显，塑料零件的强度、抗剪强度远不如金属，即便是在塑料被广

泛使用的年代，塑料还不能完全取代金属制造弹簧。

从塑料成型的特殊性来看，板簧比螺旋弹簧更易