[發明專利]一種超線彈性大變形彈簧設計方法

有效

• 申請號: 201710906333.4
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107657120B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 肖文靈;吳承偉;張偉;馬建立;馬國軍;呂永濤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;F16F1/08
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種超線彈性大變形彈簧設計方法，其特征在于，步驟如下：

(1)等螺旋角圓錐彈簧載荷與變形的計算

對于等螺旋角圓錐彈簧，在軸向力的作用下分為線性、轉折點、非線性和完全壓并四個階段；線性階段的變形，以圓柱彈簧為基礎，將圓錐彈簧的每一個線圈視為圈數為一個圓柱彈簧，根據圓柱彈簧的剛度表達式，對其進行積分，計算圓錐彈簧在軸向載荷作用下的變形；非線性階段的變形，根據彈簧的螺旋角不變，通過臨界線圈和臨界線圈直徑連接線性和非線性階段，將線性和非線性部分的變形進行疊加，得總變形為：

式中：P表示軸向載荷，D₁、D₂表示端部線圈直徑，N₀表示有效線圈數，L₀表示彈簧極限變形長度，G表示剪切模量，d表示彈簧絲直徑；

N₁表示臨界線圈數，計算式為

D_T表示臨界直徑，計算式為α為螺旋角；

當D_T＝D₂時，得臨界載荷

當D_T＝D₁時，得最大載荷

圓錐彈簧完全壓并時為平面所滿足的條件為：

R(θ+2π)-R(θ)≥d (2)

式中：θ為彈簧線圈的螺旋極角，R表示圓錐彈簧線圈的半徑且

(2)完全線性彈簧d滿足的函數關系

由于d滿足一定的函數關系式，因此在推導等螺旋角圓錐彈簧的變形計算式時與式(1)有所不同；已知單個彈簧線圈的柔度即單位軸向力作用下的變形量，計算式為：

已知線圈間的軸向間距為：

h_e＝2πR tanα (4)

在軸向載荷P作用下，線圈之間能夠自由變形的撓度極限是h_e＝k_eP,帶入式(3)和(4)，得：

式中R會隨著線圈的變化而變化，發現當d滿足d＝AR^0.5時，A為設定參數，帶入式(4)得：

由式(5)知，此時載荷P為常數，對比之前d為常數的情況，可知不再存在臨界半徑，其代表的意義是轉折點載荷P_T和最大載荷P_M相等，因此彈簧將不存在非線性部分，只存在線性部分，當載荷到達P_c值時，彈簧的所有線圈同時壓并至最下端的線圈形成一個平面；將d＝AR^0.5帶入彈簧變形計算式得：

由式(6)知，彈簧的變形與軸向載荷之間呈正比關系，則d＝AR^0.5時，等螺旋角圓錐彈簧的剛度為常數，大小表示為：