彈簧在振動、反覆壓縮、長期負載下，最常遇到的問題就是「疲勞壽命不足」與「應力過高造成斷裂」。
要讓彈簧壽命更長，必須理解它在使用過程中承受的應力大小、材料極限與設計條件。

 

以下是「鎰錩彈簧」整理的完整壽命計算指南，適合工程師、採購與設備維護人員使用。

 

一、彈簧壽命由哪些因素決定？
彈簧的壽命主要由三個核心因素決定：

 

1. 材料特性（疲勞極限 τe）
不同材質的抗疲勞能力不同，例如：
‧Si-Cr（50CrVA）→ 高抗疲勞
‧SUP9 → 高頻負載
‧65Mn → 一般工業
‧SUS304 → 耐蝕但疲勞壽命較低
‧Inconel → 高溫與化工用途壽命最強

 

2. 應力振幅 τa（剪應力變化的大小）
載重變化越大，彈簧疲勞越快。
例如：
‧破碎機、振動機：高度循環 → 壽命較短
‧緩慢動作的機構 → 壽命較長

 

3. 平均應力 τm（長期承受的基本應力）
平均壓縮越高，易造成永久變形或壽命縮短。

 

二、彈簧壽命估算最重要的三大公式
以下為工程師最常用的三個判斷標準。

 

1. 彈簧剪應力 τ（越高→壽命越短）
計算壓縮彈簧在荷重 F 下的剪應力：
τ = 8 F D k / (π d³)
‧d：線徑
‧D：平均徑（外徑 - d）
‧k：Wahl 修正係數（補正彈簧捲曲造成的應力集中）

 

2. Wahl 修正係數 k（應力集中補正）
k = (4C - 1) / (4C - 4) + 0.615 / C
‧C = 彈簧指數（D / d）
‧C 太小 → 壽命顯著減少

 

3. Goodman 準則（判斷疲勞壽命是否足夠）
(τa / τe) + (τm / τu) = 1 / n
‧τa：應力振幅
‧τm：平均應力
‧τe：材料疲勞極限
‧τu：材料極限剪應力
‧n：安全係數

 

Goodman 判斷結果	解讀
< 1	✔ 壽命安全、高循環可用
= 1	⚠ 壽命邊界
> 1	✘ 風險高，需重新設計

 

三、哪些情況會讓彈簧壽命變短？
以下是最常看到的影響壽命問題：
1. C 值太小（彈簧捲得太緊） → 高應力
2. 壓縮量太大、接近固長 → 壽命暴跌
3. 選錯材質（大負荷卻用 SUS304）
4. 高溫使用，卻使用碳鋼（65Mn）
5. 表面粗糙、未處理 → 裂縫更快產生
6. 沒有做「預壓處理」→ 初期變形大幅影響壽命
7. 腐蝕環境導致裂縫加速

 

四、如何延長彈簧壽命？（實務建議）
1. 改用高抗疲勞材質（Si-Cr、SUP 系列）
2. 增加線徑 d 或平均徑 D
3. 降低應力振幅（例如使用雙彈簧設計）
4. 最佳化表面處理（噴砂、鍍鋅、研磨端面）
5. 提升安全係數（n ≥ 1.2～1.5）
6. 高溫環境改用 Inconel
7. 進行預壓（Presetting）讓彈簧提前穩定