[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

本發明提供了一種超線彈性大變形彈簧設計方法，屬于機械彈簧設計領域。一種新的超線彈性大變形彈簧設計方法，克服了以前超線彈性彈簧不易控制α的缺陷，設計者只需確定一個合適的螺旋角數值，不用再擔心α的變化給彈簧帶來的剪切和擠壓破壞；用該方法設計的彈簧仍屬于等螺旋角圓錐彈簧，對于等螺旋角圓錐彈簧已經有成熟的制造技術，制造更加的方便；設計者只需要保證彈簧絲直徑d滿足d＝AR^0.5便可實現大范圍的線彈性，無需再考慮其他參數帶來的影響。

技術領域

本發明涉及一種超線彈性大變形彈簧的設計方法，屬于機械彈簧設計領域。

背景技術

彈簧是一種常見的機械零件，它在機械裝置中多用來儲存和釋放能量，例如在汽車懸架，微機電系統(MEMS)和抗震結構中都有著非常重要的作用。在工程中圓錐螺旋彈簧變形能力最強，最大壓縮狀態可以為一個平面，所有線圈都落在支承座上，其高度僅為單個線圈直徑，相比其它彈簧所占空間更小。圓錐螺旋彈簧的剛度主要與彈簧絲直徑d，螺旋角α和端部線圈直徑D₁、D₂有關，目前已有相關研究人員針對螺旋角α進行設計，給出了α滿足的關系式，使得彈簧的剛度滿足大范圍的線彈性。

但是這種線彈性彈簧存在如下缺陷：1、螺旋角α在整個彈簧是變化的，不易控制α的大小，α過大會導致彈簧易發生剪切破壞，α過小會導致線圈間距變小，易發生擠壓破壞；2、這種彈簧既不屬于等節距圓錐彈簧也不屬于等螺旋角圓錐彈簧，目前還沒有成熟的制造技術；3、這種彈簧在設計過程中除考慮α應滿足的關系式之外，還要考慮彈簧螺旋線和線圈半徑滿足的關系式，設計參數過多且復雜。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提出一種新的超線彈性大變形彈簧設計方法，克服目前大變形線彈性圓錐彈簧存在的缺陷。針對等螺旋角圓錐螺旋彈簧(螺旋角α可控制在合適大小)，給出載荷與變形的計算式，探究彈簧絲直徑d，和端部線圈直徑D₁、D₂對彈簧剛度的影響，得到彈簧剛度為大范圍線彈性的解析解。

本發明的技術方案：

一種超線彈性大變形彈簧設計方法，步驟如下：

(1)等螺旋角圓錐彈簧載荷與變形的計算式

如圖1所示，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)。當D_T＝D₂時，可得臨界載荷當D_T＝D₁時，可得最大載荷

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表示彈簧線圈的半徑函數且

(2)完全線性彈簧d滿足的函數關系