螺旋弹簧设计和制造概述

mengmianren

（一） 设计
1.弹簧术语
簧丝直径d，弹簧外径，内径和中径，自由/并紧长度，活动/自由圈，刚度
设计/jounce/rebound长度:  弹簧所设计的能支撑起车辆设计载荷时的长度
设计/jounce/rebound 载荷；支撑起车辆设计载荷时，对应的弹簧所能承受的载荷
M/M jounce 长度;由车辆空间布置所决定的弹簧的长度
Coil 间隙：M/M时簧丝间的间隙，一般大于3mm，当有喷涂或双层喷涂时要求间隙更大
2.端部形状设计
螺旋形状：要求有一个沿着弹簧螺旋的弹簧座，保证较好的连接性。装配时需要定位。
Flat 形状：最后几圈时与弹簧轴线垂直的线
Pigtail形状：最后一圈镶嵌在body上，保证了较小的并紧高度，增加了簧间间隙
中间形状设计：圆锥形的，漏斗形的，变节径的
3.刚度公式:  见附件（因为我不知道怎么在这个页面上写公式，只好写在word文档里了）
并联弹簧的刚度  k=k1+k2+  ….+kn
串联弹簧的刚度  1/k=1/k1+i/k2…..
4.扭转应力计算公式：见附件（因为我不知道怎么在这个页面上写公式，只好写在word文档里了）
几何因子: 考虑了在ID处弹簧所受的应力更大
假设：所有的力均沿着弹簧的中心线作用
            弹簧的速率不同也会影响最大剪切应力
            预设置和喷丸都会产生残余压应力，从而降低弹簧表面的最大应力
            对于D不均匀和pigtail的弹簧另当别论
5.侧向载荷
弹簧的受力情况
一个力是由车身重量分解到strut的力；另一个则是由弹簧与strut的偏移所产生的，第一个力是由汽车几何尺寸决定的，几乎无法控制。
期望在设计状态时减震器受到的力保持平衡
控制方法
弹簧座的中心和弹簧座的高度，但是会受package的限制
使用非同心的Pigtail
控制弹簧的圈数
使用成曲线的body等，但是会导致buckling和间隙问题，且售后服务会是个问题
6 弹簧设计过程
1 收集信息---K F L(123) OD
2 计算出full&rebound的力
3 取不同的簧丝直径，得到弹簧活动圈数，并建立矩阵
4 计算不同直径时的剪切应力
5 计算不同直径时的coil  clearance
6 计算弹簧重量和频率(大于50HZ)
k是刚度, m是活动圈的质量，一般来说，这个频率要大于50HZ
7 部分参数变化后的值
刚度变化，长度变化，Outer Dia变化，载荷变化呢？
（二 ）  工艺
主要分冷卷和热卷
冷卷                                                                    热卷
检查线圈表面                                检查线圈表面，拉直并剪成需要的长度
加热至高温得到奥氏体的微观结构              加热至高温得到奥氏体的微观结构      
淬火得到马氏体的结构                        成型
回火得到需要的硬度和韧性                    淬火得到马氏体的结构
成型 ，之后还有一个去应力的回火              回火得到需要的硬度和韧性
预设置                                      预设置  
喷丸                                        喷丸
喷涂                                        喷涂
刚度和载荷检查                              刚度和载荷检查检                                                                                                                                                                                                      
优点: 工程变更不需要重新开模                  增加了压表面应力
      较好的表面脱碳控制                      多用于直筒或单头缩径弹簧
热预设置 增加了残余扭应力，要求更大的弹簧力公差范围
淬火的目的：提高硬度和强度，提高耐磨性
回火的目的：消除淬火时产生的内应力，降低硬度，增加韧性
需要注意的问题
1.热处理过程中奥氏体化时脱碳，表面碳含量降低会影响马氏体结构的形成，变成铁素体，这样不能抵抗裂纹出现，也不能进行喷丸
2.工具痕，易产生破裂
预设置; 使产生与工作时的剪切应力方向相反的剪切应力，最大的剪切应力降低大约是扭转屈服应力的1/3。 一般是降低材料的屈服强度，使产生更大的屈服和残余扭转应力。
1 在并紧高度实现预设置，在高温或低温均可
2  一般是降低材料的屈服强度，使材料发生塑性变形，那么当释放后，弹簧就会产生残余的压应力3 增加扭转方向的残余应力
喷丸: 用许多小的颗粒冲击弹簧表面，增加表面的残余应力来防止或延缓表面破裂
厚度：15inch    0.38mm
热喷丸和双层喷丸，可同时进行      
丸分两种：cast研磨好的圆形媒介，包括各种尺寸
          切好的长度，大小均匀的碳钢
需要在最大应力发生的内径处形成好的压缩应力
喷丸的覆盖率由标准的试片来对比检查，Almen试纸是用来检查 喷丸深度的
如果过度喷丸，弹坑的表面就会翻卷过来，从而易产生破裂
喷涂
第一步：预处理，磷酸锌化
第二步：表面喷涂
预处理：清洗---热洗---调节---磷酸锌化---冷洗---后处理---离子交换法清洗---烘干
清洗；去除表面赃物如油脂，颗粒等，碱性溶液或酸性溶液，140-180华氏度，喷丸会清楚一些杂质，但是由于喷丸本身的重复利用，也会产生杂质。碱性溶液主要是终止污质粘附，并有活性剂将污质包围起来，防止其再粘附，而酸性溶液则主要是与杂质发生化学反应并溶解
热洗：清除碱性和酸性溶液和仍残留在表面的杂质，温度供应商而改变，如增加钙和镍。
冷洗：自来水，快速停止化学反应并清除化学物质，热水和温水易快速生锈。
后处理；稳定PH值，增加喷涂粘附性
离子交换法清洗：进一步清除化学物质，保证表面干净
烘干/预热：<350华氏度，防止破坏成型的晶粒结构
在实际的生产线，考虑到实际效果，某些步骤可能重复，如水洗
表面喷涂：电喷涂，单层粉喷涂，双层粉喷涂
电喷涂：将带负电的零件进入到一个带有正电荷喷涂原料的池子里，self-limited，因为当零件表面粘上原料之后，就自动使零件与溶液绝缘了，一般厚度为0.03mm
单层粉喷涂：将带电的干燥粉末喷溅在带静电的零件上，厚度一般为0.04-0.06mm，粉末有环氧的，聚酯，聚亚胺酯等
双层粉喷涂：第一次静电喷涂富锌环氧粉，因为锌不易发生电化学反应  0.05mm-0.1mm，主要目的是抗腐蚀，抗spray
                        第二次表面静电喷涂  0.33mm ，主要目的是抗石击

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关于螺旋弹簧设计与制造的概述如下：

螺旋弹簧在汽车中广泛应用于悬挂、离合器等系统。设计之初，主要考量其负荷承载能力及弹性系数，确保行驶稳定与安全。材料选择上，通常采用高强度钢材，以提高耐用性。制造过程中，经过精密的卷绕、热处理及质量检测等环节，确保弹簧的性能和质量。此外，针对不同车型和应用场景，弹簧设计也会有所差异。总之，螺旋弹簧的设计与制造是一项涉及力学、材料学、工艺学等多领域的专业技术工作。