Ring spring
环形弹簧
环形弹簧介绍
一、范围
本文件规定了环形弹簧的定义、分类、设计计算、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输与贮存。
本文件适用于外直径 ϕ18mm ~ ϕ500mm的环形弹簧。
二、规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 230.1金属洛氏试验 第1部分：试验方法
GB/T 1031表面粗糙度 参数及其数值
GB/T 1182形状和位置公差 通则 定义、符号和图样表示法
GB/T 1184-1996形状和位置公差 未注公差值
GB/T 1222弹簧钢
GB/T 1800.1极限与配合 基础 第1部分：词汇
GB/T 1800.2极限与配合 基础 第2部分：公差、偏差和配合的基本规定
GB/T 1800.3极限与配合 基础 第3部分：标准公差和基本偏差数值表
GB/T 1800.4极限与配合 基础 第4部分：标准公差等级和孔、轴的极限偏差表
GB/T 1804-2000一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差
GB/T 1805 弹簧术语
GJB 2028磁粉检验
三、术语和定义
GB/T 1805界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1 内环 internal（inside）ring
两端均带有外工作锥面的内圆环
3.2 外环 external（outer）ring
两端均带有内工作锥面的外圆环
3.3 端环 end ring
处于环形弹簧两端仅一端带有外工作锥面的内圆环。
四、参数名称、符号和单位
表1的参数名称、符号和单位适用于本文件，为便于使用，给出结构示意图，如图1所示。
表1 参数名称、符号和单位
序号 | 参数名称 | 符号 | 单位 | 说明 |
1 | 弹簧内径 | D1 | mm | |
2 | 弹簧外径 | D2 | mm | |
3 | 内环外径 | D1' | mm | |
4 | 外环内径 | D2' | mm | |
5 | 工作起始载荷 | P1 | N | |
6 | 工作结束载荷 | P2 | N | |
7 | 弹簧自由长度 | H0 | mm | |
8 | 工作起始高度 | H1 | mm | |
9 | 工作结束高度 | H2 | mm | |
10 | 圆环厚度 | h | mm | |
11 | 弹簧受载荷后间距 | S | mm | |
12 | 圆锥半角 | β | ° | |
13 | 内环最小圆锥直径 | d1 | mm | |
14 | 外环最大圆锥直径 | d2 | mm | |
15 | 变形量 | f | mm | |
16 | 载荷 | F | N |
图1 环形弹簧结构示意图
五、技术要求
5.1 尺寸
5.1.1 环形弹簧的内径、外径、自由高度和压并高度应符合产品图样的规定。
5.1.2 环形弹簧的内、外环尺寸公差与配合应符合GB/T 1800.1~GB/T 1800.4的有关规定，未注公差尺寸的极限偏差应符合GB/T 1804-2000中m级的规定。
5.1.3 环形弹簧的内、外环形状和位置公差应符合GB/T 1182、GB/T1184~1996或产品图样的有关规定，未注形状和位置公差应符合GB/T 1184-1996中k级的规定。
5.1.4 环形弹簧的内、外环径向尺寸及公差应符合表2的规定，内、外环的形状如图2所示。
表2 径向尺寸及偏差
外径尺寸 | 内环 | 外环 | ||
D1 | D1' | D2 | D2' | |
ϕ18~ 500 | H9/H10 | h8/h9 | H8/H9 | h9/h10 |
表3 其他尺寸及偏差
直径 | 项目 | |||
H0 | h | δ | β | |
ϕ18~30 | -0.2 +0.2 | -0.1 +0.1 | -0.1 +0.1 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ30~50 | -0.3 +0.3 | -0.1 +0.1 | -0.1 +0.1 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ50~80 | -0.4 +0.4 | -0.2 +0.2 | -0.2 +0.2 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ80~120 | -0.6 +0.6 | -0.2 +0.2 | -0.2 +0.2 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ120~00 | -0.8 +0.8 | -0.2 +0.2 | -0.2 +0.2 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ200~300 | -1.2 +1.2 | -0.3 +0.3 | -0.3 +0.3 | -0.1° ＋0.1° |
ϕ300~500 | -1.5 +1.5 | -0.3 +0.3 | -0.3 +0.3 | -0.1° ＋0.1° |
图2 环形弹簧内、外环形状
5.2 材料
环形弹簧内、外环选用的材料应符合GB/T 1222及有关技术协议的规定，井应附有质量合格证明书，经承制方复验合格后方可投入使用。 材料表面光滑，无明显拉痕、凹坑等缺陷。当需选用其他材料时，由供需双方商定。
5.3 工艺
大量生产的环形弹簧，其内、外环的毛坯采用锻造，再用专用套圈轧机轧制成品形状和尺寸，经检验合格后再进行热处理。
少量生产的环形弹簧，其毛坯采用自由锻造经机械加工得到成品形状和尺寸，然后进行热处理。必要时，在热处理后再磨削接触表面。
环形弹簧的内、外环表面粗糙度应符合GB/T 1031或产品图样的有关规定，内、外环圆锥表面的粗糙度一般为Ra0.4~Ra0.8。
由于圆环厚度较小，制造中应特别注意不要使圆环产生扭曲。
5.4 外观质量
环形弹簧内外环弧面、圆柱面、端面应光滑，不应有破损、扭曲、毛刺和断裂等现象。
5.5 内部质量
环形弹簧的内、外环不应存在裂纹和气孔等内部缺陷。
5.6 设计与结构
5.6.1 环形弹簧的设计应考虑刚度、强度和运动稳定性的要求，应满足被整个缓存系统的运动平稳性并适应其工作环境。
5.6.2 环形弹簧的结构应满足润滑条件下，内、外环不出现粘滞现象的基本要求。
5.6.3 环形弹簧以内环导向杆导向，应按单边最大不超过D1 ×2%留置环形弹簧与导向杆之问的间隙；环形弹簧以外环导向管导向，应按单边最大不超过D2 ×2%留置环形弹簧与导向管之间的间隙。
5.6.4 环形弹簧在一个加载和卸载循环周期内的典型设计特性曲线OABO应如图3所示。OA段表示加载时环形弹簧的压缩量与载荷成正比；AB段表示卸载起始阶段压缩量应基本不变且具有明显的滞后特性；BO段表示当载荷减小到一定程度时压缩量开始减小并随卸载过程减小到零，此时环形弹簧开始伸张并应恢复到原始尺寸。
图3 环形弹簧特性曲线
5.6.5 环形弹簧应具有设计良好的减振性能，其变形并恢复后的能量总损失一般应不低于50%。
5.6.6 内、外环硬度
环形弹簧的内、外环经热处理后，其表面硬度值一般应为48HRC-54HRC。
5.6.7 表面处理
环形弹簧的内、外环在机械加工后应按相关标准规定进行防锈处理，如磷化、氧化。
5.6.8 强压处理
环形弹簧应进行强压处理，除有特殊规定外，一般强压处理时间不少于24h。
5.6.9 磨合处理
环形弹簧应按产品图样规定进行磨合处理，当图样未规定磨合处理次数时，一般磨合处理次数应不少于10次。
5.6.10 工作负荷
环形弹簧经强压、磨合处理后，工作负荷(P1或P2）值应符合产品图样或合同的规定。
5.6.11 贴合率
环形弹簧内、外环对应锥形接触面的贴合率应不低于75%。
5.6.12 寿命
环形弹簧寿命应符合产品图样和制造验收技术条件的规定。
六、检验规则
6.1 检验条件
除另有规定外，应在下列条件下进行：
a）室内检验：温度5℃ ~ 35 ℃，相对湿度不大于80%；
b）室外检验：当使用仪器检查时应符合仪器所允许的环境要求。
6.2 首件检验
6.2.1 环形弹簧首件的认定检验项目应按产品图样、合同及下表4的规定。
6.2.2 首件检验的受检样品应不少于两件。
6.2.3 首件检验的所有受检样品和全部项目均符合本规范规定的要求时，判首件检验合格；若首件检验的任一受检样品或任一检验项目不符合本规范规定的要求时，判首件检验不合格。
表4 检验项目表
序号 | 检验项目 | 要求 章条号 | 检验方法 章条号 | 首件检验 | 质量一致性检验 | ||
A | B | C | |||||
1 | 尺寸 | 5.1 | 6.4.1 | ● | ● | - | - |
2 | 外观质量、表面处理 | 5.2、5.5.7 | 6.4.2 | ● | ● | - | - |
3 | 内部质量 | 5.3 | 6.4.3 | ● | ● | - | - |
4 | 内、外环硬度 | 5.5.6 | 6.4.4 | ● | ● | - | - |
5 | 强压处理 | 5.5.8 | 6.4.5 | ● | ● | - | - |
6 | 磨合处理 | 5.5.9 | 6.4.6 | ● | ● | - | - |
7 | 工作负荷 | 5.5.10 | 6.4.7 | ● | ● | - | - |
8 | 贴合率 | 5.5.11 | 6.4.8 | ● | - | ○ | - |
9 | 寿命 | 5.5.12 | 6.4.9 | ○ | - | - | ○ |
注：●必检项目；○按产品图样或合同规定的检验项目；-不检项目 | |||||||
6.3 质量一致性检验
6.3.1 抽样方案、组批规则
环形弹簧按批交验时，每批应由同一规格、同一牌号的钢材、在同一工艺条件下制成的内、外环组成。交验批的批量按产品图样或合同规定。
A组检验项目采用全数检验方案，B组、C组检验项目按产品图样或合同规定的抽样方案执行。
6.3.2 合格判据
A组检验的所有项目均符合本规范规定的要求时，判A组检验合格；若A组检验的任一检验项目不符合本规范规定的要求时，判A组检验不合格。
被判为A组检验不合格的经返修后可重新交验，剔除不合格品。
若在进行强压处理检验时发生单环零件断裂，其数量不超过单环零件交验批的3％时，允许替换为经过强压处理的内环或外环后，重新进行强压处理检验；若单环零件断裂数量超过上述规定，则该批应时间加倍重新进行强压处理检验。重新进行强压处理检验时，若仍有一件单环断裂，则判该批A组检验不合格。
B组检验的样品中若有一件不符合本规范规定的要求时，应抽取双倍的数量重新进行检验， 若仍有一件不符合本规范规定的要求时，判该批B组检验不合格。
被判为B组检验不合格的批，可进行全数检验，剔除不合格品。
C组检验的样品中若有一件不符合本规范规定的要求时，应抽取双倍的数量重新进行检验，若仍有一件不符合本规范规定的要求时，则判该批C组检验不合格。
6.4 检验方法
6.4.1 尺寸
用检定合格的通用、专用量具进行检验，检验内径或外径的量具其最小分度值应不低于0.05mm。
6.4.2 外观质量、表面处理
用目视和手感或参照标准样品的方法检查外观质量和表面处理情况，当有争议时可用5倍放大镜进行检查。
6.4.3 内部质量
报GJB 2028的规定进行检验。
6.4.4 内、外环硬度
按GB/T 230.1的规定进行检验。
6.4.5 强压处理
在压力试验机上对环形弹簧进行强压处理，将其压缩至各圈接触而无显著间隙，或压缩至相应产品的规定高度，或加载相应产品规定的负荷，并保持相应产品规定的作用时间，强压处理后用目视法检查外观质量。
6.4.6 磨合处理
磨合处理在强压处理合格后进行。
在磨合试验机上使环形弹簧处于受压状态，并使其在H1至H2之间往返运行，往返次数按3.9.2的规定。整个过程不应中断，应一次性连续完成。
6.4.7 工作负荷
工作负荷的测定应在磨合处理合格后进行。
在压力试验机上将环形弹簧压缩至H1或H2，测定并记录工作负荷P1或P2。
工作负荷不符合产品图样或合同的规定时，可使用调节垫片进行调整，调节垫片的厚度和数最应符合产品技术要求的规定。
6.4.8 贴合率
用煤烟法进行检测。
6.4.9 寿命
进行环形弹簧的疲劳试验，其行程应符合实际工作行程，往返频率应与工作频率相同，运行次数应不小于实际工作寿命次数的110%~130%。疲劳试验后检验或检查环形弹簧的工作负荷、内部质量和外观质量是否符合相应产品图样和本规范的要求并记录。
七、标志、包装、运输与贮存
7.1 标志
7.1.1 在环形弹簧的显著位置，应有字迹清晰的永久性标志。
7.1.2 标志应包括下列内容：
a) 产品型号；
b) 产品商标；
c) 制造厂名或代号；
d) 制造日期（年、月）。
7.1.3 出厂检验合格的产品应有合格证或合格标识。
7.1.4 合格证内容包括：（1）产品名称、型号、规格；（2）产品编号；（3）制造厂名或代号；（4）制造年、月；（5）检验人员。
7.2 包装
7.2.1 产品的包装储运标志应符合客户要求。
7.2.2 包装应保证该不受挤压变形。
7.2.3 包装箱表面应有产品名称、数量和防护等标识。
7.2.4 包装箱应注明堆放的方向和允许堆码的层数。
7.2.5 包装箱应附带产品合格证和产品说明书。
7.3 运输与贮存
7.3.1 环形弹簧在运输和贮存过程中，包装箱应直立，不可横放，不应有损坏包装的现象。
7.3.2 环形弹簧在运输和贮存过程中，应避免磕碰，应避免与酸、碱、盐、油、水、灰和其他有机溶剂接触，应尽量远离热源。
附 录 A
（规范性附录）
常用环形弹簧尺寸系列
A.1 常用环形弹簧尺寸系列见表A.1
表A.1
D2 | D1 | h | t | δ0 | β | F | Gea |
mm | mm | mm | mm | mm | ° | kN | kg |
18.1 | 14.4 | 3.6 | 4.4 | 0.8 | 13.1 | 5 | 0.002 |
25 | 20.8 | 5 | 6.2 | 1.2 | 13.5 | 9 | 0.004 |
32 | 27 | 6.4 | 8 | 1.6 | 13.4 | 14 | 0.007 |
38 | 31.7 | 6.4 | 9.4 | 1.8 | 13.4 | 20 | 0.012 |
42.2 | 34.6 | 8.4 | 10.4 | 2 | 13.2 | 26 | 0.018 |
48.2 | 39.4 | 9.6 | 11.8 | 2.2 | 13.4 | 34 | 0.026 |
55 | 46 | 11 | 13.6 | 2.6 | 13.2 | 40 | 0.035 |
63 | 51.9 | 12.6 | 15.4 | 2.8 | 13.3 | 54 | 0.056 |
70 | 58.2 | 14 | 17.2 | 3.2 | 13.2 | 65 | 0.074 |
80 | 67 | 16 | 19.6 | 3.6 | 13.5 | 83 | 0.105 |
90 | 75.5 | 18 | 22 | 4 | 13.3 | 100 | 0.145 |
100 | 84 | 20 | 24.4 | 4.4 | 13.5 | 125 | 0.203 |
130 | 111.5 | 24.8 | 30 | 5.2 | 13.4 | 160 | 0.376 |
124 | 102 | 24.8 | 30 | 5.2 | 13.3 | 200 | 0.408 |
140 | 116 | 28 | 34 | 6 | 13.3 | 250 | 0.568 |
300 | 250 | 60 | 77 | 11.6 | 13.2 | 1000 | 5.51 |
320 | 263 | 64 | 76.4 | 12.4 | 13.1 | 1200 | 7.06 |
350 | 288 | 70 | 83.2 | 13.2 | 13.2 | 1400 | 9.18 |
400 | 330 | 80 | 95.2 | 15.2 | 13.1 | 1800 | 13.56 |
a一对接触面对应的环形弹簧重量 | |||||||
附 录 B
（资料性附录）
环形弹簧的设计计算
B.1 环形弹簧设计参数选择
（1） 圆锥面斜角 当圆锥面斜角β选取较小时，弹簧刚度较小，若β <ρ，则卸载时将产生自锁，即不能回弹，β角选取过大时，则弹性变形恢复时的载荷PR较大，使环形弹簧缓冲吸振的能力降低。设计时，可取β=12°~20°，圆锥面加工精度较高时，可取β=12°；加工精度一般时，常取β=14.04°；润滑条件较差，摩擦因数较大时，β应取得大一些，以免发生自锁。
（2） 摩擦因数fμ和摩擦角ρ可按下列条件选定:
接触面未经精加工的重载工作条件 | ρ ≈9° | fμ ≈ 0.16 |
接触面经精加工的重载工作条件 | ρ ≈ 8.5° | fμ ≈ 0.15 |
接触面经精加工的重载工作条件 | ρ ≈ 7° | fμ ≈ 0.12 |
（3） 环形弹簧的许用应力如表B.1。
表B.1环形弹簧常用材料的许用应力 /MPa
加工与使用条件 | 外环许用应力σ1p | 内环许用应力σ2p |
对于一般的寿命要求 | 900 | 1200 |
对于短的寿命要求（未经精加工的表面） | 1000 | 1300 |
对于短的寿命要求（经精加工的表面） | 1200 | 1500 |
B.2 环形弹簧设计公式
