椭圆或卵形钢丝高应力螺旋弹簧设计和制造

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第39卷 第5期Vo1．39 No．5金 属 制 品Meta1 Products2013年 10月0ctober 2013doi：10．3969／j．issn．1003—4226．2013．05．007椭圆或卵形钢丝高应力螺旋弹簧设计和制造陈 立(上海中奋实业发展有限公司， 上海 201901)摘 要 采用椭圆及卵形钢丝生产的高应力螺旋弹簧已广泛应用于汽车行业。介绍椭圆及卵形钢丝弹簧设计程序，分析在以弹簧内径、重心径和外径为基准情况下，应力修正系数与旋绕比和长短轴比的关系，确定长短轴尺寸和长短轴比，并对应力峰位置进行研究。椭圆及卵形钢丝高应力螺旋弹簧生产过程中，当倾斜角为20。时，正方向的应力分布与倾斜角为O。相比较低，而反方向的应力较高，其最大应力的增加率，椭圆截面为4．5％，弗兹卵形截面为 4．9％；可靠性设计时，优化选材，选用适当的长短轴比和旋绕比，使应力修正系数最小，应力峰角度不大于 45。；制造时严格控制喷丸工艺。

关键词 椭圆钢丝；卵形钢丝；高应力螺旋弹簧；旋绕比；抗拉强度；疲劳寿命；应力修正系数；喷丸工艺中图分类号 TH135Design and production of ellipse or oval steel wire high stress helical springCHEN Li(Shanghai Zhongfen Industry Development Co．，Ltd．，Shanghai 201901，China)Abstract High stress helical spring produced with elipse or oval steel wire has been used in automobile industry．The el—lipse or oval steel wire spring design procedure was introduced．The relationship of stress correction coeficient，spring in—dex and axial ratio was analyzed in the reference of spring inside diameter，diameter center of gravity and outer diameter，length of long and short axial and axial ratio were confirmed，the position of stress peak was researched．In production of el—lipse and oval steel wire high stress helical spring，when tilt angle is 20。，the stress distribution of positive direction is low—er than tilt angle 0。，negative direction is higher．The increasing rate of its maximum stress，ellipse cross section is 4．5％ ，oval cross section is 4．9％ ．When reliability is designed，to optimize material selection，to choose proper axial ratio andspring index，to make stress correction coeficient minimum，stress peak angle is no more than 45。．To control shot peeningprocess in production.

Keywords elipse steel wire；oval steel wire；high stress helical spring；spring index；tensile strength；fatigue life；stresscorection coemcient：shot peening process汽车发动机等主机在向高转速、轻量化、小型化发展的同时，对其配件弹簧的要求也越来越高。在相同的自由高度下，用椭圆(或卵形)钢丝制成的螺旋压缩弹簧的位移比圆钢丝制成的普通弹簧大，这对用于小空间的弹簧来说是很大的优点，而且通过选择合适的椭圆(或卵形)截面外形尺寸，可以使弹簧横截面上的应力分布比圆形截面更均匀，从而提高弹簧的疲劳寿命和可靠性 ¨J。近 20年来 ，用椭圆(或卵形)钢丝制成的螺旋弹簧在 日本和欧美得到快速发展，已广泛应用于汽车工业，如气门弹簧、离合器弹簧、柱塞弹簧等已经规模化生产，在高应力螺旋弹簧方面，有取代圆截面钢丝生产普通弹簧的趋势。椭圆(或卵形)钢丝制造高应力螺旋弹簧的设计和制造在我国刚刚起步，为推动我国弹簧行业的发展，笔者研究了国外椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧设计和制造方面的先进技术，积累了一些椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧制造经验。

1 椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧1．1 椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧优点主机对高应力螺旋弹簧的理想要求见表1。

13本弹簧协会用异型钢丝制造螺旋弹簧的研究表明，椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧在降低并紧高度、减轻质量和减小应力方面有明显的优势。

· 24· 金 属 制 品 第 39卷1 特性线呈曲线，即变刚度 ： 茎的刚度随之 不等节距弹簧 改变
，起到缓冲作用 ’～～ ? 2 质 轻 ，减少无效圈数 轻型 、小型化、节能节油3 降低并紧高度，降低 自由高度4 辱命K5 低成本小型化耐用 、可靠性高销售要求采用椭圆(或卯形)钢丝；端圈动态不并圈采用椭圆(或卵彤)钢丝优化选材 ，优化 r艺系列化设计 ，人批量规模牛产同截面形状弹簧的并紧高度降低情况见表 2，质}f{=减轻情况见表 3，应 减小情况见衣 4。椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧的优点满足高应力螺旋弹簧的理想要求。

表 2 不同截面形状弹簧并紧高度降低情况Table 2 Solid height decreasing situation ofdifferent cross section shape spring表3 不同截面形状弹簧质量减轻情况Table 3 Mass reduction of diferentcross section shape spring表4 不同截面形状弹簧应力减小情况Table 4 Stress reduction of diferentcross section shape spring1．2 椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧材料常用的椭圆(或卵形)钢丝足采朋琴钢丝币¨油淬火钢丝，但普通的琴钢丝和油淬火钢丝还不能满足高速发动机的高应力气门弹簧的需要。目前采用的通过电渣重溶提纯的超清净油淬火阀门钢丝，材料内部的夹杂物大大减少，材质均一，表面质量大大改善，iri且材料的抗拉强度尺 超过2 000 MPa， 此可以充分挖掘原材料的潜力，在弹簧的可靠度得到保障的前提下，用弹簧的工作极限应力 r．来设计：．
= 0．5R 。 (1)而按圆截面材料弹簧的传统设计方法，当受变载荷次数为 10。时，其许用应力[丁]仅为[r]=0．3尺 。 (2)04．0 mm高应力弹簧钢丝力学性能见表 5。由表5可以看出，采用超清净油淬火阀门弹簧钢丝设计极限应力比普通琴钢丝和油淬火钢丝提高近一倍。

2 椭圆(或多母形)钢丝高应力螺旋弹簧设计2．1 高应力螺旋弹簧设计参数高应力螺旋弹簧钢丝截面示意图如图 1所示，弹簧示意图如图2所示。

图 1、图2中，d为圆截面钢丝直径，mm； 为椭圆(或卯形 )截面的长轴尺寸 ，mm；t为椭圆(或卵表 5 04．0|Il1] 高应力弹簧钢丝力学性能Table 5 Mechanical properties of diameter 4．0 mm high stress spring steel wire M Pa形)截面的短轴尺寸，mil；d 为椭圆(或卵形)截面等价圆截面直径，d = ；D 为弹簧内径，mm；D：为弹簧外径，nq／1]；D为弹簧中径，mm；D 为钢丝重心位置直径，简称重心径，1Tim；C为旋绕 比，C=D ／d ；r为长短轴比，r=w／t；k为应力修正系数；k为沃尔应力修正系数，k ：(4C一1)／(4C一4)+


· 28· 金 属 制 品 第 39卷表 8 不同截面形状弹簧的经验常数值Table 8 Experience constant value of diferent crosssection shape spring式(7)中：G为剪切弹性模量， 为修正系数， =2r／(r +1)。

2．3．9 计算其他参数与圆截面钢丝相同的其他参数如展开长度 等的计算不在这里赘述。

2．3．10 最新设训 技术介绍常规的螺旋 缩弹簧的端面作为支撑圈要并紧，但山于加工技术的限制，绝对并紧是不可能的。

弹簧在工作时，端圈和第2圈之间不断产生碰撞。莫氏断裂力学在弹簧失效分析中的应力研究表明，弹簧失效约91．4％是 C型断裂，在紧接端圈的工作圈居多，应力集中源是冲挤单源，因此分离端圈避免并圈会减少约90％的冲击断裂。新型的设计专利是“端圈动态不并圈的螺旋压缩弹簧”和“用拓朴新结构的螺旋压缩弹簧”。这2项专利适用于任何截面的螺旋压缩弹簧，因此在椭圆(或卵形)钢丝螺旋弹簧的设计7060三s040萎 。

2l003 椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧生产3．1 工 艺流程椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧的生产工艺流程：卷簧一去应力退火一端面磨削一(倒角)一喷丸一 (二次喷丸)一热压一负荷分选一检验一包装入库。

3．2 生产工艺中的关键点3．2．1 卷簧工艺圆截面钢丝在卷簧过程中，即使发生扭转，其截面还是圆的，而椭圆(或卵形)钢丝则不同，一旦发生扭转，会引起椭圆(或卵形)截面的长轴相对弹簧中心线的倾斜，从而改变了应力分布。当长短轴比为 1．2时，椭圆截面弹簧应力分布的情况如图13所示，弗兹卵形截面弹簧应力分布的情况如图 14所示。

图 13 椭圆截面弹簧应力分布情况Fig．13 Stress distribution of elipseCROSS section spring由图13、图 14可以看出，当倾斜角为 20。时，正方向的应力分布与倾斜角为 0。相比较低，而反方向的应力较高，其最大应力的增加率，椭圆截面为～
.

一一～一～一一一。l} 撕～第5期 陈 立：椭圆或卵形钢丝高应力螺旋弹簧设计和制造 ·29·砉 L ——}图 14 弗兹卵形截面弹簧应力分布情况Fig．14 Stress distribution of oval cross section spring4．5％，弗兹卵形截面为 4．9％。

由于工装夹具设计不当，钢丝无法传送，为防止钢丝扭转采取以下措施。(1)采用可调节的仿形导线槽 ，圆形的导线槽不适用于椭圆(或卵形)钢丝，可调节的目的是预置钢丝扭转反方向的角度，以抵消倾斜角度。(2)控制节距顶杆和第二顶杆的位置，依靠节距顶杆给出节距时，成形簧圈节距与钢丝倾斜角几乎成直线关系，而利用第二顶杆变位能产生钢丝反方向的倾斜，因此控制节距顶杆和第二顶杆的位置，可以防止钢丝的倾斜。

3．2．2 喷丸工艺从应力峰位置的研究可知，当长短轴比 r和旋绕比C变化时，应力峰的位置也不同，当长短轴 比r=1．4且旋绕比C=1时，应力峰的角度高达 70。，这有可能造成喷丸死角，因此在设计时应当考虑选用的 r和 C使应力峰角度不大于 45。。在工艺上一般采用二次喷丸手段，使喷丸尽量均匀 。

3．3 低温碳氮共渗工艺所谓低温碳氮共渗工艺，即采用阿莫尼亚和煤气的 昆合气体为介质，在温度420℃保持4 h，此时弹簧表面形成一层微薄的碳氮共渗层，进一步提高弹簧的疲劳极限，减小弹簧变形，并增加弹簧的耐磨性 ]。

经过低温碳氮共渗工艺处理的弹簧的疲劳极限比SWOSC硅铬钢弹簧高90 N／mm ，比SWP—V材料制造的弹簧高150 N／ram ，经过低温碳氮共渗工艺处理的弹簧能在较高的温度下工作而变形很小。

由于低温碳氮共渗工艺生产周期比较长，不适用于流水线生产，因此仅在客户提出特殊要求时使用。

4 结论采用椭圆(或卵形)截面钢丝来设计制造高应力螺旋弹簧具有降低并紧高度，减轻质量，减小应力等优点，适应汽车发动机等主机向高转速、轻量化、小型化发展。

为提高椭圆(或卵形)钢丝高应力螺旋弹簧的可靠性，在设计时应考虑：优化选材，如超清净油淬火阀门弹簧钢丝；选用适当的长短轴比和旋绕比 c，使应力修正系数 k最小，应力峰角度不大于45。。

在制造时应考虑：设计可调节仿形导线槽 ；调节节距顶杆和第二顶杆的位置；严格控制喷丸工艺，必要时采用二次喷丸工艺。

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(收稿 日期：2013—06—08)作者简介陈 立 1957年生，高级工程师，上海中奋实业发展有限公司总经理 。