制动器用截锥形螺旋弹簧设计与制造技术规范

1 主题内容及适用范围

本规范规定了本公司汽车制动器、助力器和各种泵类用冷卷圆截面截锥形螺旋弹簧（简称锥形弹簧）的设计与制造技术。本规范也适合于公司其它类型产品上所使用的锥形弹簧的设计与制造技术。

2 引用标准及文件

① GB/T 1805 弹簧术语

② GB/T 1239.2 冷卷圆柱螺旋压缩弹簧技术条件 ③ GB/T 4357 碳素弹簧钢丝

④ GB/T 4358 重要用途碳素弹簧钢丝 ⑤ YB（T）11 弹簧用不锈钢丝

⑥ QC/T 625 汽车用涂镀层和化学处理 ⑦ GB/T 1239.5 圆柱螺旋弹簧抽样检查 ⑧ GB 6458 金属覆盖层 中性盐雾试验

3 术语和定义

截锥螺旋弹簧：呈截锥状的螺旋弹簧（以下简称为锥形弹簧） 3²1 锥形弹簧的外形尺寸 3²1²1锥形弹簧的高度

锥形弹簧的高度是指弹簧在无载荷时的高度。 3²1²2 锥形弹簧的总圈数

锥形弹簧的总圈数是指沿弹簧螺旋轴线两端间的螺旋圈数。 3²1²3 锥形弹簧的有效圈数

锥形弹簧的有效圈数是指计算弹簧载荷时的圈数。 3²1²4 锥形弹簧的支承圈

锥形弹簧的支承圈是指端部用于支承或固定弹簧体的簧圈。 3²1²5 锥形弹簧的小端尺寸

锥形弹簧的小端尺寸是指锥形弹簧有效圈小端头的曲率半径（中半径） 3²1²6 锥形弹簧的大端尺寸

锥形弹簧的大端尺寸是指锥形弹簧有效圈大端头的曲率半径（中半径） 3²2 工作负荷

锥形弹簧工作过程中承受的力称为工作负荷。 3²3 工作极限负荷

锥形弹簧工作过程中出现的最大负荷称为工作极限负荷。 3²4 试验负荷

锥形弹簧允许承载的最大负荷称为试验负荷。 3²5 极限负荷

对应于弹簧材料屈服极限的负荷称为极限负荷。 3²6立定处理

将热处理后（指最后一次回火处理后）的锥形弹簧压缩到工作极限负荷高度以下，极限负荷以上，连续多次短暂压缩，以达到稳定锥形弹簧几何尺寸为主要目的的一种工艺方法。

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4 设计

4²1产品分类

按弹簧结构形式，锥形弹簧可以分为等节距截锥螺旋弹簧和等螺旋升角截锥螺旋弹簧两种。 4²1²1等节距截锥螺旋弹簧

形成簧丝有效圈的螺旋线节距是一个常量的锥形弹簧。它的外形见下图。

AR112.5A向H0tt12.5R2弹簧的有效圈螺旋线投影示意图 它的弹簧丝轴线是一条空间螺旋线，这条螺旋线在与其形成的圆锥中心线相垂直的支承面上的投影是一条阿基米德螺旋线，其数学表达式为:

R ＝R1 +（R2 - R1）/n ²θ/2π

式中：R — 弹簧丝上任意一点的曲率半径；

R1 — 弹簧丝小端头的曲率半径；

R2 — 弹簧丝大端头的曲率半径；

θ— 由弹簧丝小端头R1处为起始点到该弹簧丝上任意一点之间所夹的角度（弧度） n — 弹簧的工作圈数。 4²1²2 等螺旋升角截锥螺旋弹簧

形成簧丝有效圈的螺旋线升角α是一个常量的锥形弹簧。它的外形结构如下图。

α

2

它的弹簧丝轴线是一条空间螺旋线，这条螺旋线在与其形成的圆锥中心线相垂直的支承面上的

投影是一条对数螺旋线，其数学表达式为:

R ＝ R1 e

mθ

式中：R — 弹簧丝上任意一点的曲率半径；

m — In（R2 /R1）/2πn

R1 — 弹簧丝小端头的曲率半径；

R2 — 弹簧丝大端头的曲率半径；

θ— 由弹簧丝小端头R1处为起始点到该弹簧丝上任意一点之间所夹的角度（弧度） n — 弹簧的工作圈数。

4²2设计计算

4²2²1等节距截锥螺旋弹簧的计算公式

等节距截锥螺旋弹簧的计算公式见表1 表1

等节距截锥螺旋弹簧 （t＝常数）的计算公式 所求项目 任意圈的 曲率半径 自由高度 螺旋升角 节 距 展开长度 钢丝直径 压并时高度 大端圈开始触合时的负荷 全压并时的极限负荷 在0＜P≤PC阶段时的变形量 在PC＜P≤PJ阶段时的变形量 强度校核 [τ] MPa FJ mm Kn＝ 4-3³（√PC / P） –（ P / PC）²（R1 / R2） 在0＜P ≤PC时 [τ]max ＝16 R2 P /πd²K 在PC＜P≤PJ时 [τ]max ＝16 R2 √PC / P ²P /πd²K K C K＝4C - 1 / 4C-3 + 0.615 / C C＝2RJ / d RJ ＝R2√（PC / P） 3334代号 Ri 单位 mm R2-R1≥nd Ri＝R1+（R2-R1）θ/ 2πn Ri＝R2-（R2-R1）i/ n R2-R1＜nd H0 α t L0 d Hb Pc mm rad mm mm mm mm N 4H0＝nt+d —— t＝（H0-d）/ n L0＝n1π（R2+ R1） d＝ √（16R2 P）/π[τ] Hb＝d Pc＝GdH0 / 64R2n 4334 3322—— Hb＝√（nd）-（R2- R1） Pc＝Gd/ 64R2n²[ H0-√（nd）-（R2 - R1）] 4 32 2 2 2 PJ FZ N mm PJ＝GdH0 / 64R1n PJ＝Gd/ 64R1n²[ H0-√（nd）-（R2 - R1）] FZ＝ 16Pn （R2- R1）（R2+ R1）/ Gd 2 24 FJ＝H0 / 4[ 1 -（R1 / R2）]²Kn FJ＝[ H0 -√（nd）-（R2 - R1）/ 4 [1-（R1 / R2）]² Kn 22[剪切应力] 曲率系数 指 数

4²2²2等螺旋升角截锥形弹簧的计算公式

等螺旋升角截锥形弹簧的计算公式见表2

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表2

等螺旋升角截锥螺旋弹簧 （α＝常数） R2 - R1≥nd时的计算方法 所求项目 任意圈的 曲率半径 自由高度 螺旋升角 节 距 展开长度 钢丝直径 压并时高度 大端圈开始触合时的负荷 全压并时的极限负荷 在0＜P≤PC阶段时的变形量 在PC＜P≤PJ阶段时的变形量 强度校核 [剪切应力] 曲率系数 指 数

K C [τ] MPa 在0＜P≤PC时 [τ]max ＝16 R2 P /πdK 在PC＜P≤PJ时 [τ]max ＝16 R2 √PCP /πd K ＝4C-1/4C-3 + 0.615/C C＝2RJ / d RJ ＝R2√（PC / P） 33 代号 Ri 单位 mm Ri＝R1emθ 计 算 公 式 m＝In（R2 / R1）/ 2π H0 α t L0 d Hb Pc mm rad mm mm mm mm N 3H0＝L0 Sinα α＝αrc Sin（H0 / L0） —— L0＝（R2- R1）/ m + 2πnn（R2+ R1） d＝ √（16R2 P）/π[τ] Hb＝d Pc＝JP H0 m G / R2（R2 - R1） 22PJ FZ N mm PJ＝JP H0 m G / R1（R2 - R1） FZ＝P/ JP m G²（R2- R1）/ 3 3 33 3FJ mm FJ＝P / JP m G²（R2√PC / P）- R1）/ 3 + H0（R2 - R2√PC / P）/（R2 - R1） 5 技术要求

锥形弹簧应该按照经规定的程序批准的产品图样及技术文件制造，并符合以下规定的要求。 5²1 极限偏差的等级

弹簧的特性与外形尺寸分偏差可以根据重要程度和载荷类型分1、2、3三个等级。各项目的等级可以根据需要分别独立选定。 5²2 弹簧特性和刚度

5²2²1 特性曲线（P- F 曲线）

P（N）F（mm） 上图是截锥形螺旋弹簧的特性线：弹簧承载后，在簧圈接触前，特性线为线性型，当负荷逐渐增加时，弹簧圈从大端开始逐渐接触，有效圈随之相应减少，弹簧刚度也渐渐增大，直到弹簧圈完 全压并，这一阶段弹簧的特性线为非线性型。

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5²2²2 刚度

锥形弹簧的刚度为变值，其圆锥角θ越大，弹簧的自频率的变化率越高，对于缓和或消除共振有利。制动器用截锥形弹簧的θ角可以大到使弹簧大端半径R2与小端半径R1的差即（R2-R1）≥ nd 。（这样还可以防止产品工作时出现簧圈相互压并或摩擦） 5²3特性的极限偏差

指定高度时的负荷P的极限偏差，按表3的规定。

表3 精度等级 有效圈数 弹簧特性 极限偏差 ±0.05P ≤3～10 P ±0.04P ±0.10P 1 ＞10 ≤3～10 P ±0.08P ±0.15P 2 ＞10 ≤3～10 P ±0.12P 3 ＞10

弹簧特性的极限偏差也可以根据需要不对称使用，其公差值不变。 5²4尺寸及外形的极限偏差

5²4²1 小端头曲率半径的极限偏差

锥形弹簧小端头曲率半径的极限偏差按表4的规定。 5²4²2 大端头曲率半径的极限偏差

锥形弹簧大端头曲率半径的极限偏差按表4的规定。极限偏差必要时可以不对称使用，其公差值不变。

表4 精度等级 旋绕比 小 端 曲率半径 极限偏差 大 端 曲率半径 极限偏差 ≤4～8 ±0.01R1 最 小 ±0.075 0.015R2 最 小 ±0.10 1 8～15 0.015R1 最 小 ±0.10 0.020R2 最 小 ±0.15 15～22 ±0.02R1 最 小 ±0.15 0.025R2 最 小 ±0.20 ≤4～8 ±0.015R1 最 小 ±0.10 0.020R2 最 小 ±0.15 2 8～15 ±0.02R1 最 小 ±0.15 0.025R2 最 小 ±0.20 15～22 ±025R1 最 小 ±0.20 0.03R2 最 小 ±0.25 ≤4～8 3 8～15 15～22 ±0.02R1 ±0.03R1 ±0.04R1 最 小 ±0.15 0.025R2 最 小 ±0.20 最 小 ±0.20 0.03R2 最 小 ±0.25 最 小 ±0.25 0.05R2 最 小 ±0.30 5²4²3 自由高度的极限偏差

锥形弹簧的自由高度的极限偏差按表5的规定。极限偏差必要时可以不对称使用，其公差值不变。当弹簧有特性要求时，自由高度作为参考。 5²4²4 垂直度的偏差

两端面经过磨削的锥形弹簧，在自由状态时，弹簧轴心线对两端面的垂直度按表5的规定。 表5

精度等级 旋绕比 自由高度 极限偏差 ≤4～8 ±0.01H0 最小 ±0.2 垂直度 1 8～15 ± 最小 ±0.5 15～22 ± 最小 ±0.6 ≤4～8 ± 最小 ±0.5 2 8～15 ±0.03H0 最小 ±0.7 15～22 ± 0.04H0 最小 ±0.8 ≤4～8 ± 0.03H0 最小 ±0.7 3 8～15 ± 0.04H0 最小 ±0.9 15～22 ± 0.06H0 最小 ±1.0 0.015H0 0.02H0 0.02H0 0.02H0（1°26′） 0.05H0（2°52′） 0.08H0（4°31′）

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5²4²5 总圈数的偏差

锥形弹簧总圈数的偏差按表6的规定，当弹簧有特性要求时，总圈数偏差可以适当放宽。 表6 总 圈 数n1 ≤10 ＞10～20 ＞20～50 极 限 偏 差（圈） ±0.0625 （45°范围内） ±0.0833 （60°范围内） ±0.166 （90°范围内）

5²4²6 节距

等节距锥形弹簧的节距供设计和制造时参考，一般不作为验收依据。 5²4²7 螺旋升角

等螺旋升角锥形弹簧的螺旋升角供设计和制造时参考，一般不作为验收依据。 5²4²8 支承圈的结构形式

锥形弹簧支承圈的结构可以按照需要设计成与有效圈端头并紧的等直径的圆圈，或者不并紧的一条螺旋线圈。

（1）材料直径≤1.5mm时，大、小两端圈的结构可以采用图1和图3的形式。

（2）材料直径＞1.5mm时，并且为了防止工作时因弹簧圈相互摩擦而发出异响声， 大、小两端圈的结构可以采用图2和图4的形式。

（3）根据产品要求，支承圈的结构也可以有其它的形式。

支承圈支承圈有效圈有效圈图1图2支承圈有效圈支承圈有效圈图3图4 6

5²4²9 端面磨削

簧圈两端头并紧并磨平的锥形弹簧，支承圈磨平部分应大于或等于3/4圈，其粗糙度不大于12.5，端头厚度不小于0.125d。 5²5 其它要求 5²5²1 外观

锥形弹簧表面应该光滑，在加工过程中不允许表面发生锈蚀、裂纹、起刺等缺陷，但允许表面有局部深度不超过材料直径公差之半的拉痕和个别小伤痕存在。外观采用目测或用5倍放大镜检查。 5²5²2材料

（1）锥形弹簧可以采用表7规定的材料，必要时也可选择其它材料。材料质量应符合相应材料标准的有关规定。

表7

序号 1 2 3 标准号 GB/T4357 GB/T4358 YB（T）11 标 准 名 称 碳素弹簧钢丝 重要用途弹簧钢丝 弹簧用不锈钢丝 材料切变模量G值（Npa） 78000～81500 80000～82000 71500～73000 推荐使用工作温度（℃） -40～120 -40～120 -250～300 （2）材料必须有材料制造厂的检验质量证明书，材料进厂后必须按标准经过相应的“力学性能”、“工艺性能”和“表面质量”复核检验后才能使用。

6 制造

6²1 热处理

经冷成形的锥形弹簧应进行消应力回火处理，消应力回火处理在专门的弹簧连续式回火炉中进行，回火的规范见表8

表8 常用弹簧材料消除应力回火的规范

材 料 牌 号 碳素弹簧钢丝：B、C、D级 重要用途弹簧钢丝：G1、G2、F组 直径（mm） 回火温度（℃） 保温时间（min） ＜2 2～ 4 ＞4～6 冷拉 弹簧 不锈 钢丝 1Cr18Ni9 0Cr18Ni10 0Cr19Ni10 0Cr17Ni8AI 0Cr17Ni12Mo2 1～6 360～420 30～60 1～6 240～280 260～280 270～300 320～380 16～20 20～30 25～40 30～50 自然空气 自然空气 冷却方式 自然空气 备 注 保温时间可以根据弹簧钢丝的直径和装炉数量适当调整 回火处理一般在弹簧绕制和校正完成后进行一次。也可以在弹簧绕制后和校正处理后分别进行进行两次，其中第二次回火处理的温度可以低于第一次回火处理温度的10℃～20℃，保温时间相应减少6～20分钟。为了防止弹簧非正常变形，回火时弹簧在回火炉中的堆积厚度为3～8厘米。

回火处理后弹簧的表面硬度不作考核。 6²2 表面处理

需要进行表面处理的锥形弹簧，应该在图纸上注明表面处理的方式，根据需要表面处理有氧化处理；磷化处理；镀锌处理或镀镉处理等。表面处理按照QC/T 625标准的相关规定进行。锥形弹簧的表面镀锌层或镀镉层的厚度为8μm～12μm 。为了提高镀层的防腐蚀性能，在镀锌或镀镉后要进行钝化处理。为了防止弹簧产生氢脆，镀锌或镀镉后必须及时（在24小时内）进行除氢处理，

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除氢温度为180～200℃，时间为2小时左右。 6²3 其它处理

根据产品需要，可以在技术要求中对锥形弹簧提出下列要求： 6²3²1立定处理

对于工作极限负荷较大、并且弹簧的剪切应力达到和超过该材料的许用应力时即：[τ]≥0.45σb时，应该考虑对弹簧进行立定处理，并且规定立定处理时弹簧的压缩高度、压缩次数。还应该提出经过立定处理后锥形弹簧必须保证的特性要求。 6²3²2 疲劳试验

根据产品的重要性和锥形弹簧所受应力的程度来决定模拟疲劳试验。 6²3²3盐雾试验

根据产品的重要性来决定盐雾试验，并按GB 6458《金属覆盖层 中性盐雾试验》规定，提出相应的要求。

7 检验规定

7²1锥形弹簧的验收抽样检查按GB1239.5的规定。也可以按照Q/XSZ 08²01 - 20030《产品逐批检验抽样计划》的规定。 7²2 永久变形

将截锥形螺旋弹簧成品用工作极限负荷压缩三次后，测量其自由高度的永久变形量（在第二次与第三次后的变形量）不得大于0.5% 。

7²3 锥形弹簧的其它项目的检查按本规定第5节、第6节的要求。

说明：

本标准由亚太机电集团公司技术中心提出。 本标准由技术中心标准化室归口。 本标准由技术中心三处负责起草。 本标准起草人朱炎。

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