活塞彈簧垂直度對(duì)制動(dòng)缸輸出力的影響

楊 靖, 陰 宇

(北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司， 北京 100094)

螺旋壓縮彈簧在機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛，它能夠通過(guò)形變來(lái)存儲(chǔ)能量，作為機(jī)構(gòu)緩解的動(dòng)力，或者作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的緩沖裝置，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。壓縮彈簧是機(jī)械結(jié)構(gòu)中非常重要的零部件，隨著我國(guó)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展及軍事裝備的機(jī)械化、自動(dòng)化，圓柱螺旋壓縮彈簧被廣泛使用，它具有儲(chǔ)存及傳遞能量、復(fù)位等功能。彈簧在工作中長(zhǎng)期處于受壓狀態(tài)，容易導(dǎo)致卡牢、恢復(fù)不到位、壓力不足甚至變形等異常情況，從而影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度及壽命[1]。良好的彈簧同心度和垂直度是保證協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的前提。影響圓柱螺旋壓縮彈簧垂直度的因素很多，彈簧端面磨削是其中之一。圓柱螺旋彈簧兩端面的磨削和機(jī)械制造行業(yè)中的端面磨削有著共同點(diǎn)，但又有不可忽視的不同之處。圓柱彈簧是以支撐圈和有效圈組成的一種彈性零件，它以彈性為主。由于彈簧端面在磨削中受到一定的磨削壓力，使彈簧微量變形，磨削完畢后即產(chǎn)生回彈，影響其垂直度和平行度。彈簧在雙端面磨床上磨削時(shí)，彈簧件因受磨削砂輪的壓力而微量變形的情況是這樣的：在磨削狀態(tài)下彈簧件軸線垂直于端面，磨削完成并撤去壓力后會(huì)出現(xiàn)回彈而造成幾何偏差(回彈量與磨削進(jìn)刀量成正比)。彈簧件軸線的垂直度對(duì)彈簧負(fù)荷有著直接的影響[2]。

彈簧的同心度和垂直度檢測(cè)是壓縮彈簧生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有對(duì)彈簧同心度和垂直度檢測(cè)的方法，主要使用標(biāo)尺或標(biāo)準(zhǔn)塊靠模法[3]。針對(duì)于傳統(tǒng)彈簧外觀檢測(cè)方法效率較低，王黎萌和丁洪萍開(kāi)展了基于機(jī)器視覺(jué)的彈簧組件外觀檢測(cè)的研究[4]。一系彈簧是機(jī)車轉(zhuǎn)向架上的重要零部件，其工作應(yīng)力高，平面度、平行度、垂直度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)都高于其他車型同類彈簧。徐偉和蔣志斌對(duì)其進(jìn)行了工藝研究，將一系彈簧生產(chǎn)工藝裝備在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，新增數(shù)控卷簧機(jī)、氣氛保護(hù)加熱爐等相關(guān)設(shè)備以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要[5]。于繼銀則對(duì)精密矩形截面彈簧的各項(xiàng)尺寸參數(shù)進(jìn)行分析研究[6]。

1 圓柱螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算[7]

彈簧剛度計(jì)算式為

(1)

其中F為彈簧負(fù)荷；f為彈簧變形量；G為材料切變模量；d為鋼絲直徑；D為彈簧中徑；n為彈簧有效圈數(shù)。

彈簧切應(yīng)力計(jì)算式為

(2)

其中K為曲度系數(shù)，K值按式(3)計(jì)算：

(3)

其中C為彈簧旋繞比。

2 活塞彈簧垂直度對(duì)制動(dòng)缸輸出力的影響

2.1 制動(dòng)缸輸出力超差原因分析

制動(dòng)缸活塞彈簧屬于圓柱螺旋壓縮彈簧。當(dāng)向制動(dòng)缸充氣時(shí)，活塞克服活塞彈簧運(yùn)動(dòng)，施加制動(dòng)力。制動(dòng)缸輸出力計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：

F0=F1-F2-F3

(4)

其中F1為主動(dòng)力，即向制動(dòng)缸充入的壓力；F2為活塞彈簧力值；F3為其他摩擦阻力。

根據(jù)式(4)可以得出，當(dāng)活塞彈簧力值偏小時(shí)，會(huì)使制動(dòng)缸輸出力增大。在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)制動(dòng)缸輸出力超出上限，其主要原因是活塞彈簧力值偏小造成。將制動(dòng)缸拆解，測(cè)量活塞彈簧自由狀態(tài)下力值符合圖紙要求，將彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度重復(fù)測(cè)量力值基本沒(méi)有變化。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究彈簧安裝工況和多次試裝發(fā)現(xiàn)了原因。活塞彈簧組裝時(shí)兩端均有限位，如圖1所示，活塞彈簧2下端組裝在活塞3的凹槽內(nèi)，上端套入缸蓋5的圓臺(tái)外側(cè)，彈簧壓縮時(shí)通過(guò)活塞筒4導(dǎo)向，因而活塞彈簧的運(yùn)動(dòng)受到了活塞和缸蓋共同的影響。在組裝時(shí)，當(dāng)彈簧放置的角度不同時(shí)，彈簧壓縮力值不同。

1-剛體;2-活塞彈簧；3-活塞；4-活塞筒；5-缸蓋。圖1 活塞彈簧組裝示意圖

2.2 活塞彈簧垂直度對(duì)制動(dòng)缸輸出力的影響

經(jīng)過(guò)分析，造成這種現(xiàn)象的原因是彈簧垂直度較大。圖紙垂直要求為國(guó)標(biāo)2級(jí)精度[8]，即彈簧自由高的5%。由圖2可以看出，圖2(a)活塞彈簧垂直度為6 mm，圖2(b)為按照國(guó)標(biāo)1級(jí)精度重新卷制垂直度為3 mm的活塞彈簧。

圖2 活塞彈簧

將不同垂直度的活塞彈簧分別組裝到活塞中，可以看到活塞彈簧與活塞筒之間的間隙不同，從圖3可以明顯的看出垂直度為6 mm的彈簧與活塞筒之間的間隙很不均勻。為了定量判斷垂直度對(duì)彈簧力值影響的大小，將活塞彈簧組裝到活塞與缸蓋后放在彈簧機(jī)上測(cè)量，如圖4所示。下壓缸蓋，使活塞彈簧變形，記錄指定壓縮量下的彈簧力值，然后將活塞彈簧連同缸蓋旋轉(zhuǎn)90°，目的是保證彈簧一端定位保持不變，壓縮相同高度再次記錄彈簧力值，間隔90°旋轉(zhuǎn)，共記錄4點(diǎn)力值。從表1的測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，垂直度為6 mm的彈簧，4點(diǎn)力值的一致性非常差，其中2點(diǎn)與4點(diǎn)的力值相差最大，達(dá)到151 N。而垂直度為3 mm的彈簧，4點(diǎn)力值的一致性非常好，變化最大值僅為24 N。從測(cè)量結(jié)果可以判斷，對(duì)于垂直度比較大的彈簧，當(dāng)組裝位置不同時(shí)，會(huì)造成彈簧壓縮力值相差較大，而對(duì)于垂直度比較小的彈簧，其壓縮力值不會(huì)因組裝位置的不同而相差較大。這就可以解釋在制動(dòng)缸輸出力試驗(yàn)過(guò)程中同一批次的活塞彈簧(垂直度基本一致)部分出現(xiàn)力值超差，而拆解后將彈簧旋轉(zhuǎn)方向重新組裝后力值便能夠回到正常區(qū)間的現(xiàn)象。

圖3 活塞彈簧組裝到活塞上的情況

圖4 活塞彈簧組裝后測(cè)量力值

彈簧垂直度/mm彈簧力值/N0°90°180°270°66024694726203635656659658

2.3 改進(jìn)彈簧工藝以保證垂直度要求

將活塞彈簧垂直度要求改為國(guó)標(biāo)1級(jí)后，制動(dòng)缸輸出力超差問(wèn)題大大減少，但仍未完全根除，原因是彈簧批量生產(chǎn)過(guò)程中部分垂直度超差。進(jìn)一步分析活塞彈簧，受到壓并高度和彈簧力值的約束，彈簧兩端無(wú)法實(shí)現(xiàn)并緊。圖5所示為彈簧端面磨削示意圖，當(dāng)彈簧兩端沒(méi)有并緊時(shí)，在端面磨削時(shí)彈簧很容易發(fā)生傾斜變形。針對(duì)此問(wèn)題，在滿足力值和中徑的要求下重新調(diào)整加工工藝，將自由高降低20 mm(如圖6所示左側(cè)彈簧)，盡量使彈簧兩端接近并緊，從而可以最大程度保證垂直度要求。

為了能夠在組裝前判定彈簧各個(gè)方向力值一致性是否合格，制作了專門的測(cè)量彈簧力值工裝，工裝各部件尺寸完全模擬活塞彈簧的組裝環(huán)境，如圖7所示。

圖5 彈簧端面磨削示意圖

圖6 新試制降低自由高的活塞彈簧與原彈簧對(duì)比

圖7 測(cè)試彈簧力值工裝

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在組裝過(guò)程中當(dāng)彈簧放置的角度不同時(shí)，彈簧壓縮力值不同，這主要是彈簧垂直度較大造成的。通過(guò)對(duì)不同垂直度的活塞彈簧壓裝試驗(yàn)可以得出：垂直度較小的彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)不同方向壓縮的力值變化較小，也就是說(shuō)彈簧的壓縮力值不會(huì)因組裝位置的不同而相差較大。

[1] 胡偉，黃平，魏昕，等.圓柱螺旋壓縮彈簧檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2008,36(11):112-114,144.

[2] 唐霖.圓柱彈簧的垂直度對(duì)選取總?cè)?shù)的關(guān)系[J].汽車與配件，1984(4):38-39.

[3] 張玉綱，孫長(zhǎng)庫(kù).壓縮彈簧同心度垂直度在線視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(6):1281-1283.

[4] 王黎萌，丁洪萍.基于機(jī)器視覺(jué)的彈簧組件外觀檢測(cè)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2007(5):74-76.

[5] 徐偉，蔣志斌.一系彈簧工藝研究[J].中國(guó)機(jī)械，2015(6):88-89.

[6] 于繼銀.精密矩形截面彈簧的工藝研究[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1989(0):107-116.

[7] GB/T 23935，圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8] GB/T 1239.2，冷卷圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件第2部分：壓縮彈簧[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.