CN101705975A - 一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁异型截面刚度可精确调控的线性弹，属于弹簧元件技术领域。主要由高压油管(1)、过渡接头(2)、空芯异型截面弹簧(3)、螺母(4)、液压油或弹性填充材料(5)等构成，采用封闭薄壁空芯异型截面结构，通过控制其内部的供油压力或弹性材料的压尽力使弹簧横截面尺寸和形状(在弹性范围内)的变化，最终达到精确调控弹簧刚度系数的目的。橡胶式刚度可调整的薄壁空芯异型截面弹簧(包括压缩、拉伸和扭力杆)可广泛用于刚度精度要求较高的计量仪器或装置上，液压式刚度可调控的薄壁空芯异型截面弹簧(包括压缩、拉伸和扭力杆)可广泛应用于对于振动频率有随动要求的“质-弹-阻”振动系统中，配以自动控制系统可以实现振动频率的自动耦合。

Description

一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧

技术领域

本发明涉及一种刚度可调控的弹簧，属于机械设计及理论学科领域，具体地说是一种弹簧元件，可以应用于各种需要使用弹簧元件的场合。

背景技术

弹簧是一种利用其弹性和结构的特点在产生或恢复变形时把机械功或动能转变为变形能、或把变形能转变为机械功或动能的机械零件，可用于机械产品的缓冲减震、运动控制、存贮能量、测量力和扭矩，并可以作为机械的动力，几乎所有的工业产品都离不开弹簧。然不同用途的弹簧其要求有很大不同，现有技术在满足不同要求时表现了很大的局限性。

对于用作力或扭矩测量用的弹簧，由于弹簧在设计时无法精确的区分支撑部位(端部)和有效变形部位(有效圈数)的分界点；加之在制造过程中不可避免的存在制造误差(如弹簧中径、簧丝直径以及螺旋角的制造误差等)，使得按弹簧服从虎克定律(F＝k·x)假设设计的计量仪器或装置往往因弹簧刚度系数k不够准确而产生计量误差。为了得到刚度系数准确性和稳定性较好的弹簧，通常有两个做法：一个是在制造过程中，依据弹簧刚度系数实测值与设计值的差值通过增加或减少弹簧的有效变形圈数来获得需要的弹簧刚度系数，其精度一般不会很高，特别是对于较高计量精度的仪器用弹簧往往需要在大批弹簧中进行严格的筛选，成品率较低，成本较高；二是把弹簧的端部设计成可调的结构，当弹簧的刚度系数超差时，通过调整支撑端来改变弹簧的有效工作圈数以期达到修正刚度的目的，实际上，按这种做法得到的弹簧刚度系数的精度不够高、精度保持性不强(与调整环节的结构设计有关)。上述这两种做法的本质是一样的，都是调整弹簧的有效工作圈数。

对于“质-弹-阻”振动系统而言，设计时经常要处理扰力频率ω_r与系统固有频率ω(式中：k为弹簧刚度系数，m为系统振动质量)的关系问题，以达到避免“共振”造成机器损坏或者利用(产生)“共振”以实现某种功能的目的。传统的做法是采用定刚度设计并通过改变系统的振动质量和阻尼来实现预期的固有频率。其对于扰力频率ω_r和振动质量m均为定值的情况不失为一个好办法；但对于扰力频率ω_r和振动质量m中有一个为变化值(如ω_r或m为时间的函数)的振动系统就显得“无能为力”。可以想象，如果能提供一种弹簧，其刚度系数可以根据需要随动调控，对于振动系统来说必将十分有利。

综上所述，现有技术关于较高精度弹簧刚度系数的获取是通过调整弹簧的有效工作圈数实现的，采用改变弹簧横截面尺寸和形状进行刚度调整和用于“质-弹-阻”振动系统刚度系数根据需要可随动调控的弹簧均未见报道。

技术方案

本发明的目的就是针对测量用弹簧存在的刚度系数精度不够高、“质-弹-阻”振动系统振动用弹簧刚度系数可调控性不够方便等缺陷，提供一种能根据需要通过改变弹簧截面形状和尺寸实现弹簧刚度系数的精确调试和控制的空芯异型截面结构的新型弹簧。

本发明采取的技术原理是通过改变弹簧变形部位横截面尺寸来实现对弹簧刚度的调控.其技术方案是：它包括一个空芯异型截面弹簧3，其主体由变形部分II和支撑部分I以及设有于其端部的过渡接头2组成.非圆截面的主要特征是在两个相互垂直的方向抗弯曲刚度差别较大，截面形状可以是扁圆或带圆角过渡的矩形(图7、8、9)，长边尺寸(标记为a)可以平行于弹簧中心线(称为立面)、也可以垂直于弹簧中心线(称为横面).空腔内装有高压油或弹性材料(如橡胶)5，弹簧3被支撑在弹簧座6上，两个过渡接头2上均构造有螺纹结构，可以用于连接螺母4和油管1.当弹簧3内充填的是高压油时，螺母4主要起密封作用，高压油管1接油源(图略)；当弹簧3内充填的是橡胶等弹性材料时，螺母4主要起压紧作用.需要时可通过调整供油压力(或弹性材料的压紧量)来改变弹簧变形部分的横截面尺寸(和形状)，进而达到调整弹簧刚度的目的.对于“变”刚度弹簧宜采用油压调整；对于定刚度弹簧宜采用弹性材料调整，调整完成以后通过专门的锁定机构(略)保证两个弹簧座的相对角度，从而保证弹簧刚度的稳定性.

本发明的另外一些特点是：

①.根据需要绕制的螺旋弹簧可以是压缩弹簧，也可以是拉伸弹簧或扭转弹簧；

②.对于特大刚度的扭转弹簧可以按照空芯扭力杆的结构构造(图5、6)，扭簧的支撑端部可以做成多边形结构、也可以做成圆形带键的结构(图10、11)；

③.弹簧3的变形部分II为薄壁空芯异型结构，为了保证弹簧既具有足够的强度和必要的刚度，又能在油压或弹性材料膨胀力的作用下产生必要的弹性变形以达到弹簧刚度的目的，该弹簧具有横截面尺寸大、壁厚薄的显著特点；

④.弹簧空腔内可以填充弹性材料(如橡胶)也可以接高压油源。

⑤.弹簧的端部根据需要可以将接头2布置在弹簧中心，也可以布置在圆周或挂钩端部。

附图说明

图1是立面布置的液压式刚度可调控圆柱压缩弹簧示意图。

图2是横面布置的液压式刚度可调控圆柱压缩弹簧示意图。

图3是立面布置的弹性材料充填式刚度可调控圆柱压缩弹簧示意图。

图4是横面布置的弹性材料充填式刚度可调控圆柱压缩弹簧示意图。

图5是液压式刚度可调控的扭力(杆)弹簧示意图。

图6是弹性材料充填式刚度可调控的扭力(杆)弹簧示意图。

图7是弹簧椭圆截面示意图。

图8是弹簧扁圆截面示意图。

图9是弹簧矩形截面示意图。

图10是扭力(杆)弹簧多边形夹持结构端视示意图。

图11是扭力(杆)弹簧圆形带键夹持结构端视示意图。

图1、图2中标号名称：1.油管，2.过渡接头，3.空芯异型截面弹簧，4.螺母，5.高压油，6.弹簧座，7.密封件。I.支撑部分，II.变形部分。

图3、图4中标号名称：2.过渡接头，3.空芯异型截面弹簧，4.螺母，5.弹性填充材料，6.弹簧座，8.柱塞。I.支撑部分，II.变形部分。

图5中标号名称：1.油管，3.空芯异型截面弹簧，5.高压油，9.螺塞，11.夹持部分.I.过渡部分，II.变形部分.

图6中标号名称：3.空芯异型截面弹簧，5.弹性填充材料，8.柱塞，10.调整螺柱，11.夹持部分。I.过渡部分，II.变形部分。

图11中标号名称：12.键。

具体实施方案

实施例一：油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧

如图1～2、图8～9所示，油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧主要由油管1、过渡接头2、空芯异型截面弹簧3、螺母4、高压油5、弹簧座6和密封件7组成。空芯异型截面弹簧分为支撑部分I变形部分II两部分。

图1所示为“立面”布置的油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧(简称为“立面螺旋弹簧”)；图2所示为“横面”布置的油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧(简称为“横面螺旋弹簧”)。二者相比在截面尺寸和形状、中径、变形圈数相同的情况下，立面螺旋弹簧的刚度和剪切应力较之的横面螺旋弹簧要小一些。所以，图1示立面螺旋弹簧适宜于横向安装空间受限制、刚度较大的场合；图2示横面螺旋弹簧适宜于横向安装空间不受限制、刚度不大的场合。通过调整弹簧空芯内腔里的供油压力迫使弹簧变形部分的截面尺寸和形状产生弹性变形，从而使其抗扭和抗弯模量产生变化，进而达到改变弹簧刚度系数K目的。

对于“质-弹-阻”振动系统调整振动频率的应用场合宜采用本例所述油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧，如配以自动控制系统可以实现振动频率的自动耦合。

实施例二：弹性材料填充式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧

如图3～4、图8～9所示，弹性材料填充式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧主要由过渡接头2、空芯异型截面弹簧3、螺母4、弹性填充材料5、弹簧座6和柱塞9组成。空芯异型截面弹簧分为支撑部分I变形部分II两部分。

图3所示为“立面”布置的弹性材料填充式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧(简称为“立面螺旋弹簧”)；图4所示为“横面”布置的弹性材料填充式薄壁空芯异型截面刚度可调控的螺旋弹簧(简称为“横面螺旋弹簧”)。

与实施例一相同，在截面尺寸和形状、中径、变形圈数相同的情况下，立面螺旋弹簧的刚度和剪切应力较之的横面螺旋弹簧要小一些。所以，图3示立面螺旋弹簧适宜于横向安装空间受限制、刚度较大的场合；图4示横面螺旋弹簧适宜于横向安装空间不受限制、刚度不大的场合。

与实施例一不同，本实施例通过调整弹簧空芯内腔里弹性填充材料的压紧量迫使弹簧变形部分的截面尺寸和形状产生弹性变形，从而使其抗扭和抗弯模量产生变化，进而达到改变弹簧刚度系数K目的。

对于测量仪器或装置上使用的测量弹簧宜采用本例弹性填充材料(如橡胶)定期调整的结构，其刚度的调整精度可达千分之一。

实施例三：薄壁空芯异型截面刚度可调控的扭力(杆)弹簧

如图5～6、图10～11所示，薄壁空芯异型截面刚度可调控的扭力(杆)弹簧主要由油管1、空芯异型截面弹簧3、高压油(或弹性填充材料)5、柱塞8、螺塞9、夹持端11和键组成.空芯异型截面弹簧分为过渡部分I变形部分II两部分.

图5所示为油压式薄壁空芯异型截面刚度可调控的扭力(杆)弹簧；图6所示为弹性材料填充式薄壁空芯异型截面刚度可调控的扭力(杆)弹簧。其夹持端部可以是多边形结构、也可以是圆形带键的结构。

Claims (6)

1.一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于主要由与油源连接的高压油管(1)、过渡接头(2)、空芯异型截面弹簧(3)、螺母(4)、液压油或弹性填充材料(如橡胶)(5)、弹簧座(6)或夹持部分(11)、密封件(7)、柱塞(8)、螺塞(9)、螺钉(10)和键(12)。其特征在于：空芯异型截面弹簧(3)上设有有过渡接头(2)；空芯异型截面弹簧(3)由支撑部分I和变形部分II组成，其内部填充有高压油或弹性材料(如橡胶)(5)；过渡接头(2)上设有螺纹结构用于连接高压油管(1)和螺母(4)或柱塞(8)或螺塞(9)，过渡接头(2)内设有安装柱塞(8)的结构用于压紧或放松弹性材料(5)，过渡接头(2)与螺母(4)之间设有密封件(7)用于排放空芯异型截面弹簧(3)内的气体和密封作用；弹簧座(6)用于支撑空芯异型截面弹簧(3)，夹持部分(11)用于夹持扭力杆弹簧(3)。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于：所述空芯异型截面弹簧(3)可以是压缩弹簧，也可以是拉伸弹簧或扭转弹簧；

3.根据权利要求1所述的一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于：所述空芯异型截面弹簧(3)的截面可以是椭圆形、扁圆形和矩形。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于：所述过渡接头(2)实现由非圆截面到圆形截面的平滑过渡。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于：弹簧的端部根据需要可以将接头2布置在弹簧中心，也可以布置在圆周或挂钩端部。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁空芯异型截面刚度可调控的弹簧，其特征在于：所述夹持部分(11)横截面可以是多边形也可以是圆形带键的结构。

Images