1環(huán)形彈簧的結(jié)構(gòu)

1.1常見(jiàn)環(huán)形彈簧的結(jié)構(gòu)

環(huán)形彈簧通常是由端環(huán)、外環(huán)和內(nèi)環(huán)組成（見(jiàn)圖1）。主要參數(shù)為彈簧的內(nèi)徑 D1外徑 D2和自由高度。自由高度又是由單圈環(huán)簧的高度h、數(shù)量n、環(huán)間的軸向間距δ決定。還有一個(gè)主要的參數(shù)就是圓錐半角β，當(dāng)β選取較小時(shí)，彈簧剛度較小，若β<p（摩擦角，一般7°~9°)，則卸載時(shí)產(chǎn)生自鎖，即不能回彈復(fù)原。

ａ）自由狀態(tài) ｂ）受載荷狀態(tài)

D1—彈簧的內(nèi)徑 Ｄ2—彈簧的外徑H0—彈簧的自由高度δ0—彈簧外圓環(huán)之間的軸向間距

β—彈簧圓環(huán)的圓錐半角 δ—彈簧受載荷后外圓環(huán)的軸向間距 Ｈ—彈簧受載荷后的高度

常用環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2

1.2改進(jìn)型環(huán)形彈簧的結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型環(huán)彈簧的內(nèi)外環(huán)截面作了一些調(diào)整，即軸向外環(huán)的外徑和內(nèi)環(huán)的內(nèi)徑不是一根直線，而改成了曲線（見(jiàn)圖2）。這樣截面積就減小，重量隨之減輕，但又不影響內(nèi)外環(huán)的摩擦力，既節(jié)約了資源又減輕了重量；也有單外環(huán)或單內(nèi)環(huán)改變截面形狀的。

2環(huán)形彈簧的制造工藝流程

環(huán)形彈簧規(guī)格繁多如表2所列，小自外徑18mm，大至外徑500mm左右。由于很難找到壁厚與外徑相適應(yīng)的無(wú)縫彈簧鋼鋼管，一般多用鍛好的環(huán)坯進(jìn)行制作，其工藝流程如圖3所示。

2.1環(huán)形彈簧的毛坯制造

環(huán)形彈簧鍛造毛坯如圖4所示。環(huán)形彈簧的厚度與外徑比一般很小，極易變形，為考慮成品精度，所以下料的內(nèi)外徑加工余量較大，一般都在單邊5mm以上。鍛造毛坯應(yīng)成環(huán)形，按照毛坯尺寸再計(jì)算圓鋼下料的長(zhǎng)短。例如：當(dāng)計(jì)算外環(huán)毛坯為 D1=499mm、d1=438.5mm、h1=82mm 的環(huán)簧毛坯選用多粗的圓鋼下料，料長(zhǎng)又為多少？

首先要計(jì)算出此批毛坯體積V

根據(jù)鍛造比≥2的要求選用Φ200mm彈簧圓鋼，則長(zhǎng)度應(yīng)為：

考慮下料損耗及鍛造損耗，實(shí)際下料為（11.5x1.2）mm=14mm

環(huán)簧毛坯鍛造不像碟簧毛坯下料，一定要使鍛造比大于2：1。鍛造環(huán)簧毛坯可以用模鍛，也可以用滾壓法，猶如滾壓軸承大小環(huán)。

2.2粗車(chē)

粗車(chē)內(nèi)外環(huán)時(shí)，都需留有精車(chē)前的加工余量，此余量的大小視環(huán)簧尺寸大小而異。小環(huán)簧留得小，大環(huán)簧留得大，因?yàn)闊崽幚頃r(shí)簧越大，變形相對(duì)也大。各向的尺寸一般在0.20～2mm之間，角度可車(chē)出也可不車(chē)出。此角度β理論上在12°～20°之間選用，一般選用 β=14°～16°，視圖樣而定。

2.3熱處理

環(huán)簧熱處理一般采用淬火、回火工藝，D2≤140mm的小環(huán)簧建議用等溫?zé)崽幚砉に?，以獲得更佳的強(qiáng)韌性。對(duì)于大環(huán)簧，為使熱處理變形減小，可采用適當(dāng)掛具。

具體熱處理制度視材質(zhì)而異，環(huán)形彈簧常用材料是60Si2MnA和50CrVA彈簧鋼，由于環(huán)形彈簧毛坯都是經(jīng)過(guò)鍛造的，所以必須進(jìn)行淬火回火處理。

淬火就是把鋼加熱到臨界溫度 AC3或Ac以上保溫一段時(shí)間，使其完成奧氏體化再以適當(dāng)溫度冷卻，從而獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理方法。上述兩種鋼種的加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1環(huán)形彈簧常用彈簧鋼加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)（單位：℃ ）

因此，60Si2MnA淬火溫度選用（850～880）℃入池淬火；50CrVA淬火溫度選用830～850℃入池淬火。淬火爐選用鹽浴爐為佳。淬后硬度應(yīng)為＞58～60HRC。

環(huán)形彈簧回火是將淬火后的環(huán)形彈簧重新加熱到低于 Ac1的某個(gè)選定溫度，并保溫一段時(shí)間，然后以適宜的冷卻速度冷卻，其目的是獲得所需的力學(xué)性能，穩(wěn)定環(huán)形彈簧的組織和尺寸以及消除內(nèi)應(yīng)力。環(huán)形彈簧回火后的硬度一般為45～50HRC。

環(huán)形彈簧淬火時(shí)宜在鹽浴爐中進(jìn)行，可以不用夾具，因?yàn)榇慊鸪叽缫呀?jīng)考慮到淬回火后的粗加工所需余量?；鼗鹂稍诰綘t中進(jìn)行，回火后應(yīng)立即在水中冷卻，回火溫度選用400～500℃，回火保溫時(shí)間視環(huán)形彈簧最大厚度考慮。t≤10m）mm的保溫時(shí)間不低于60min，t≥10mm的保溫時(shí)間不低于90min。

環(huán)形彈簧淬火后應(yīng)立即回火，以避免由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋，淬火與回火之間的時(shí)間相隔不宜超過(guò)4h。

2.4精車(chē)

環(huán)形彈簧熱處理后進(jìn)入精車(chē)工序，精車(chē)最好在數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行?？梢员ＷC圓環(huán)的圓錐半角。β是圓環(huán)的重要幾何參數(shù)，它決定環(huán)形彈簧的剛度。β小，剛度小，若 β<p （摩擦角）將產(chǎn)生自鎖，即不能回彈；β大，剛度大，按照?qǐng)D樣精車(chē)此角。

2.5強(qiáng)壓處理

環(huán)形彈簧必須進(jìn)行強(qiáng)壓處理，處理時(shí)應(yīng)將內(nèi)環(huán)、外環(huán)和端環(huán)按圖樣要求配制，彈簧試驗(yàn)時(shí)，變形量

式中 n-環(huán)形彈簧圓錐接觸面對(duì)數(shù)；

δ０-彈簧外圓環(huán)間的軸向間距；

δｍｉｎ-彈簧圓環(huán)間在工作極限位置應(yīng)保留的最小間距。

彈簧圓環(huán)間在工作極限位置應(yīng)保留的最小間距，一般應(yīng)使 δmin≥1mm，直徑較大或加工精度較低時(shí)，最小間距應(yīng)取大些。一般精度較低時(shí)可取 δmin≈D/50；精度較高時(shí)取 δmin≈D/100。強(qiáng)壓時(shí)，兩側(cè)應(yīng)置放限高塊。

2.6特性測(cè)試

環(huán)形彈簧的各部幾何尺寸檢驗(yàn)合格后，都必須測(cè)試其力學(xué)性能。測(cè)試前各接觸面需加入潤(rùn)滑劑，常用的潤(rùn)滑劑為石墨、固態(tài)MoS2或其他潤(rùn)滑脂。其力學(xué)性能不但與幾何尺寸有關(guān)，更與摩擦面的加工工藝有關(guān)，接觸面未經(jīng)精加工，在重載條件下摩擦系數(shù) fu=0.16、p=9°；接觸面經(jīng)精加工在重載荷條件下摩擦系數(shù) fu=0.15、p=8°30'；當(dāng)接觸面經(jīng)精加工在輕載荷條件下摩擦系數(shù) fu=0.12、ρ=7°。圖5給出了不同條件下，環(huán)形彈簧的特性曲線。

環(huán)形彈簧在一個(gè)加載和卸載循環(huán)中的特性曲線為OABO，如果沒(méi)有摩擦力的作用下，則應(yīng)為OC，卸載時(shí)，特性曲線由B點(diǎn)開(kāi)始，而不是由E點(diǎn)，這是由于摩擦使彈簧彈性滯后引起的特性曲線。由于環(huán)形彈簧有其較大摩擦功的損耗，所以O(shè)A加載曲線測(cè)到位后卸載會(huì)有不同的曲線，這主要決定于環(huán)間摩擦系數(shù)所致。

表2是常用環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)尺寸，可供設(shè)計(jì)、制造時(shí)參考。

表2常用環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)尺寸