圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法
2023-05-17 13:23:46 3
專利名稱：圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種柔性彈簧的製造方法，具體地說是一種用於斯特林制冷機、脈衝管制冷機及小型直線型壓縮機中的彈簧製造方法。
背景技術：
現代整體式、分置式斯特林制冷機幾乎均採用了直線電機驅動、間隙密封、板彈簧支撐的技術方案。板彈簧是斯特林制冷機的關鍵零件，用於支撐制冷機運動活塞與推移活塞，保持運動過程活塞與氣缸的密封間隙，為活塞的往復振動提供足夠的剛度並且要有一定的行程。因此板彈簧在斯持林制冷機的間隙密封、減少磨損、提高整體可靠性和工作壽命方面有著至關重要的作用。對柔性彈簧而言，以下四個指標全面的反映了其不同方面的性能。
1.疲勞強度在機械設備中，組成機械的零件在工作進所產生的應力大致有兩種類型靜應力與變應力。零件或材料在承受這兩種不同的應力時，它們所顯示出來的機械性能完全不一樣。受靜應力的零件或材料的破壞是塑性變形或脆性斷裂，因此，它們的強度是以材料的彈性極限或屈服極限和強度極限來衡量的。而受變應力的零件或材料的破壞則是疲勞斷裂，因此它們的強度是以疲勞強度來衡量的。疲勞強度低於彈性極限或屈服極限等靜應力強度。
由於工作需要，彈簧的循環次數超過20億次，所以需要對彈簧的線型、工藝孔、厚度等基本參數進行分析研究，使彈簧在工作中，各處的應力趨於一致，消除應力集中，最大應力遠小於材料的疲勞極限.
2.徑向剛度在制冷機及壓縮機中彈簧直接與活塞相連，彈簧支撐著活塞及電機動子組件。由於電機的充磁不均、結構的不對稱等原因，活塞常會受到側向力的作用，而這種側向力會破壞氣缸與活塞之間的間隙密封，嚴重的情況下還會造成活塞與氣缸直接摩擦的不良後果。因此，對彈簧而言，其徑向剛度應該儘量的大，保證活塞的運動不偏離平衡位置。
3.軸向剛度由於不論是直線壓縮機還是膨脹機，其運動狀態均為直線的往復振動，做為振子系統的彈性部件，彈簧的徑向剛度和振子的質量決定了整個振動系統的共振頻率。對於制冷機而言，當工作于振子共振頻率附近時，制冷機會有較高的效率，而當制冷機發生共振時，會引起較大的噪音，甚至造成制冷機的損壞。因此彈簧的軸向剛度對整個制冷機的能耗和運行的穩定性有十分重要的作用。
4.柔性彈簧組件的自振頻率柔性彈簧隨主軸作高速往復運動，其運動頻率受制於彈簧片固有頻率。為避免彈簧片板條發生共振而折斷，則必須使運行頻率避開彈簧的固有頻率。
柔性彈簧的性能與其幾何結構密切相關，其結構參數中可以調整的參數有彈簧厚度、型線方式、內外螺孔的開口位置及大小及彈簧外徑。其中，螺孔的位置和外徑受外界接口尺寸的限制，調整的餘地不大。在型線不變的前提下彈簧厚度對性能指標的影響可以概括為，厚度加大，軸向和徑向剛度增大，可提供的行程減小，因此，當彈簧外徑和接口尺寸受限，同時制冷機需要提供較大的徑、軸向剛度和大的活塞行程時，單一的改變彈簧的厚度就不能滿足性能的需求，從而改變型線成為一種有效的方法。
C.C.Lee[Flexure Bearing Analysis Procedure and Design Charts，Cryocooler 9]提出了利用二項式(四階)來生成柔性彈簧的型線，通過改變二項式的係數從而得到不同的渦旋線。美國專利號5494313，發明名稱為Tangential Linear Flexure Bearing，提出了一種運用於往復式運動機械的長壽命切線柔性彈簧(如圖1)，彈簧利用其柔性臂的變形提供一定的剛度。
運用以上兩種方法雖然均可以生產出柔性彈簧，但是，運用二項式的方法生成的彈簧型線沒有明顯的幾何學特點，型線之間的關係不能用明確的幾何表達式表達，而只能用近似的多項式表示，從而由於設計的不對稱引起實際柔性彈簧的幾何不對稱，引起應力分布的不對稱，影響彈簧的性能。對於切線柔性彈簧而言，雖然可以保證幾何的對稱，但是從其幾何型線中可以看出，在其設計中柔性臂與固定環之間為非平滑過渡，也就是說截面積有突變，由材料力學可知，對於受彎梁，截面積變化的不連續會引起應力集中，而對於承受交變應力的柔性彈簧而言，這種應力集中往往會引起疲勞斷裂。
發明內容
為了滿足不同直線壓縮機的制冷機的運行需要，本發明的目的在於，提供出一種以圓漸開線為基礎型線的渦旋柔性彈簧型線的生產方法。
特別根據斯特林制冷機、脈衝管制冷機及小型直線壓縮機的需要，提供一種利用漸開線來得到渦旋型線柔性彈簧的設計方法，利用兩組圓漸開線方程形成一渦旋槽，漸開線間採用曲線平滑過渡。通過將渦旋槽按一定的規律進行空間組合從而設計出柔性彈簧。
根據本發明圓漸開線柔性彈簧的製造方法，包括構造渦旋槽型線、渦旋槽首尾封閉、渦旋槽空間分布和聯接孔加工四個基本步驟。
1.構造渦旋槽型線整個柔性彈簧包括若干條渦旋槽，首先通過兩條漸開線在空間上構成一條渦旋槽。圓的漸開線方程幾何表達簡單，而且在機械加工中已有成熟的加工方法。
渦旋槽型線的基本參數如下基圓半徑a漸開線節距P＝2πa漸開線發生角α渦旋槽槽寬t＝a α渦旋線圈數n漸開線漸開角φ＝2πn+π/2渦旋槽中心上任一點的坐標為x＝a(cosφ+φsinφ)y＝a(sinφ-φcosφ)渦旋槽內外側上任一點的坐標為xi=a[cos(i)+isin(i)]yi=a[sin(i)-icos(i)]xo=a[cos(o-)+osin(o-)]xo=a[sin(o-)-ocos(o-)]]]>上式中，下角標i表示渦旋槽內側曲線上的參數，o表示渦旋槽外側曲線上的參數。通過改變基圓半徑、漸開線發生角、渦旋槽槽寬等表中所示參數，可以得到不同幾何形狀的渦旋線。
2.渦旋槽的首尾光滑封閉形成彈簧的渦旋槽後，由於彈簧的尺寸有限，所以渦旋槽只能取一定的長度，必需將槽光滑地封閉，這樣才能防止由於非平滑過渡引起的應力集中。
封閉曲線為渦旋槽的外切圓弧，其圓心方程如下x0=a(cos(-2)+sin(-2))y0=a(sin(-2)-cos(-2))]]>當渦旋槽的首尾漸開角度已知時，設其分別為φ1′、φ2′，則可得到相應的圓弧中心坐標為(x1，y1)、(x2，y2)，而渦旋槽的半徑為a α/2，所以以上述圓心為中點做圓弧與渦旋槽相切，能實施光滑地封閉渦旋槽。
3.渦旋槽空間分布將由上述方法構造出的渦旋槽型線按一定的規律在空間進行排列。根據要求可以由二、三、四條或多條渦旋槽組成一個柔性彈簧。根據渦旋槽空間分布規律的不同，可以分為同心型和偏心型兩種。同心型的各條渦旋槽中心重合於一點，而偏心型的各條渦旋槽中心按一定的角度均勻分布於圓周上。對於同樣的半徑要求，渦旋槽越多，軸向剛度越小；同樣的渦旋槽數，偏心型的彈簧軸向剛度較小。
4.聯接孔的設計內外聯接孔用於將柔性彈簧一端固定於機座上，另一端與運動軸相連，即內聯接孔與運動軸相連，為運動提供回復力，外聯接孔用於將彈簧固定於機座上。作內聯接孔時，根據設計要求，以坐標原點為中心做圓，分別與渦旋槽相交，在交點處以槽寬為直徑做圓與內外型線相切，使槽的末端光滑。圓中心留出一定的面積，根據接口尺寸開孔。同樣，在槽的外周也可根據實際尺寸的大小開孔。彈簧的厚度根據實際的需要可以設不同的值。
圖1是已有技術中的切線柔性彈簧的截面視圖；
圖2是本發明的柔性彈簧三維示意圖；圖3是本發明的柔性彈簧的渦旋槽型線示意圖；圖4是本發明的柔性彈簧同心型渦旋槽分布示意圖；圖5是本發明的柔性彈簧偏心型渦旋槽分布示意圖；以及圖6是本發明的柔性彈簧的平面示意圖。
具體實施例方式為更好地理解本發明的技術方案，以下結合具體的實施例作進一步描述。
本發明首先根據圓漸開線方程生成渦旋彈簧的渦線且切成渦旋槽，再採用外切圓將渦旋槽光滑封閉，形成完整的單一渦線，然後將單一的渦線按不同的空間分布，形成二、三或四條渦線的柔性彈簧，之後將得到的彈簧型線方程在計算機輔助製圖中繪製出，然後輸入到電火花切割機的控制計算機中，就可以按照方程所示型線在金屬薄板上切出渦旋槽。
按此方法可以得到如圖2所示的柔性彈簧。取公共外形設計參數為外徑φ57、中間孔φ4、厚度0.29mm，渦旋槽型見表1。材料為不鏽鋼。此彈簧已成功的用於斯特林制冷機。
此外，再將實施本發明方法所製成的一些系列柔性彈簧概括成表1，並給出具體實施步驟表1柔性彈簧型線設計參數與性能 具體實施步驟1.構造渦旋槽型線首先根據實際需要彈簧直徑及性能的不同，確定基圓半徑a、漸開線發生角α、渦旋線圈數N三個基本的幾何參數，利用幾何作圖工具製得相應的渦旋槽型線。其它的幾何參數均可由上述三個參數得出。如漸開線節距P＝2πa，渦旋槽槽寬t＝a α。
2.渦旋槽的首尾封閉對於生成的渦旋槽型線，根據彈簧的直徑，將槽光滑的封閉。設φ1′為渦旋槽封閉處的漸開角，由方程組x0=a(cos(1-2)+sin(1-2))y0=a(sin(1-2)-cos(1-2))]]>得到對應的圓弧中心坐標為(x1，y1)，而此處渦旋槽的半徑為a α/2，以上述圓心(x1，y1)為中點做圓弧(半徑為a α/2)與渦旋槽相切，即得到光滑的封閉渦旋槽。渦旋槽的首尾端均採用此方法封閉。
3.渦旋槽空間分布將由上述步驟構造出的渦旋槽型線按一定的規律在空間進行排列，構造了一系列三渦旋槽同心型柔性彈簧。首先在幾何製圖工具上複製同樣的三條由上步生成的渦旋槽，然後分別將其中的二條在空間旋轉120度和240度，將旋轉後的各條渦旋槽中心重合於一點，便得到了同心型分布的三渦旋槽柔性彈簧。
4.聯接孔的設計根據機座的聯接孔尺寸，槽的外周均布圓孔。中心留出一定的面積，根據接口尺寸開孔與軸相連。彈簧的厚度根據實際的需要可以設不同的值。
權利要求
1.一種圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其步驟包括S1.首先根據圓漸開線方程生成渦旋彈簧的渦線並切割成渦旋槽；S2.再採用外切圓方法將渦旋槽首尾光滑封閉，形成完整的單一渦線；S3.然後將單一的渦線按要求進行不同的空間分布，形成至少有二條渦線的柔性彈簧，以及；S4.最後，開內外聯接孔，內聯接孔與運動軸連接，提供運動回復，外聯接孔將彈簧固定在機座上。
2.根據權利要求1所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，步驟S1中所述的圓漸開線方程為x＝a(cosφ+φsinφ)y＝a(sinφ-φcosφ)其中a為基圓半徑，φ為漸開線的漸開角φ＝2πn+π/2，n為渦旋圈數。
3.根據權利要求1所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，渦旋槽槽寬t＝aα，α為漸開角線發生角；漸開線節距P＝2πa。
4.根據權利要求1或2所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，渦旋槽內外側上任一點的坐標為xi=a[cos(i)+isin(i)]yi=a[sin(i)-icos(i)]xo=a[cos(o-)+osin(o-)]xo=a[sin(o-)-ocos(o-)]]]>上式中，下角標i表示渦旋槽內側曲線上的參數，o表示渦旋槽外側曲線上的參數。
5.根據權利要求1或2所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，所述步驟S2中用外切圓方式封閉渦旋槽的首尾是指封閉曲線為渦旋槽的外切圓弧，其圓心方程如下xo=a(cos(-2)+sin(-2)xo=a(sin(-2)-cos(-2)]]>當渦旋槽的首尾漸開角度已知時，設其分別為φ1′、φ2′，則可得到相應的圓弧中心坐標為(x1，y1)、(x2，y2)，而渦旋槽的半徑為aα/2，所以以上述圓心為中點做圓弧與渦旋槽相切，光滑封閉渦旋槽。
6.根據權利要求1所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，所述的步驟S3中渦旋槽的空間分布包括同心型和偏心型兩種，同心型的各條渦旋槽中心重合於一點，而偏心型的各條渦旋渦中心按一定的角度均勻分布於圓周上。
7.根據權利要求1所述的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製造方法，其特徵在於，步驟S4中，作內聯接孔時，以坐標原點為中心做圓，分別與渦旋槽相交，在交點處以槽寬為直徑做圓與內外型線相切，使槽的末端光滑，且圓中心留出一定空間根據接口尺寸開孔。
全文摘要
本發明提出了用於直線壓縮機中的圓漸開線渦旋柔性彈簧的製備方法，利用基本的圓漸開線方程，通過調整基圓半徑、漸開線節距、漸開線發生角、渦旋體槽寬、渦旋體圈數、漸開線的漸開角以及渦旋槽在空間的分布，來實現柔性彈簧型線的設計，利用本方法可以根據不同的實際性能要求設計出不同型線的柔性彈簧。以及對渦旋槽的首尾進行光滑封閉，開設內外聯接孔，由內聯接孔與運動軸相連，提供回復力，由外聯接孔將彈簧固定於基座上。本發明的彈簧型線表達及設計簡單，幾何表達準確，便於機械加工；彈簧型線間過渡平滑，應力分布均勻，有較高的可靠性。
文檔編號B21F35/00GK1751822SQ200510029390
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者陳楠, 陳曦, 吳亦農, 徐烈 申請人:中國科學院上海技術物理研究所, 上海交通大學