CN108959826A - 平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧，属于弹簧技术领域。通过根据座椅靠背角度调节参数，确定平面涡卷弹簧的第一物理参数，然后根据平面涡卷弹簧的输入参数，确定平面涡卷弹簧的第二物理参数，再根据第一物理参数和第二物理参数获得约束条件和目标函数，并根据约束条件和目标函数构建平面涡卷弹簧设计方法的数学模型，然后根据约束条件和目标函数建立平面涡卷弹簧设计方法的数学模型，最后将设计变量通过MATLAB编程求解获得优化设计参数，达到根据座椅靠背角度和平面涡卷弹簧的输入参数得到优化设计参数的目的，满足座椅靠背调节要求，实现对平面涡卷弹簧的轻量化设计。

Description

平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧

技术领域

本发明涉及弹簧技术领域，具体而言，涉及一种平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧。

背景技术

平面涡卷弹簧是采用钢带绕制而成的、螺旋线在同一平面内的弹簧。按簧圈接触与否，可分为接触型平面涡卷弹簧和非接触型平面涡卷弹簧。前者常用来储能，如各种原动机构；后者常用来产生反作用转矩，如电机电刷的压紧、座椅靠背角度的调节等。

如今，手动式车辆座椅靠背角度调节机构采用非接触型平面涡卷弹簧，实现对座椅靠背的角度调节。平面涡卷弹簧的内挂钩安装在与座椅椅座固联的内固定座上，外挂钩安装在与座椅椅背固联的外固定座上。驾驶员在调节座椅椅背时，需要首先解锁角度调节机构，然后在驾驶员倚靠力/回复力矩的作用下，实现座椅靠背的向后/向前调节。

随着城市交通车辆产业的快速发展，对零部件设计方法要求日益提高，因此，需要提出一种综合考虑使用环境影响和满足座椅靠背角度调节要求的平面涡卷弹簧轻量化设计方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧，可以优化平面涡卷弹簧的设计方法，使弹簧设计更加轻量化，以实现减重的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种平面涡卷弹簧设计方法，其中，包括：

根据座椅靠背角度调节参数，确定所述平面涡卷弹簧的第一物理参数；

根据平面涡卷弹簧输入参数，确定所述平面涡卷弹簧的第二物理参数；

根据所述第一物理参数和所述第二物理参数建立所述平面涡卷弹簧设计方法的数学模型；

根据所述数学模型确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据所述第一物理参数和所述第二物理参数建立所述平面涡卷弹簧设计方法的数学模型的步骤，包括：

根据所述第一物理参数和所述第二物理参数获得约束条件；

根据所述第二数学物理参数获得目标函数；

根据所述约束条件和所述目标函数建立数学模型。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据所述数学模型确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数的步骤，包括：

根据所述数学模型确定设计变量；

将所述设计变量通过MATLAB编程求解，确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述平面涡卷弹簧的第一物理参数包括：回复力矩、调节角度；所述回复力矩包含平面涡卷弹簧在座椅靠背前、后的极限位置处的回复力矩。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述平面涡卷弹簧的第二物理参数包括：带材规格、安装空间、最大输出力矩公式、外形结构及力矩转角关系。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述安装空间包括内固定座的外径a、外固定座的安装距离R和平面涡卷弹簧的最大轴向安装距离z_max。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述带材规格为带材的厚度h和宽度b。

第二方面，本发明实施例提供了一种平面涡卷弹簧，其中，所述平面涡卷弹簧采用第一方面的任一项所述的平面涡卷弹簧设计方法设计而成，所述平面涡卷弹簧包括：内挂钩、内协调段、有效段、外协调段和外挂钩。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述外协调段为直臂式或斜臂式。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述平面涡卷弹簧为非接触型平面涡卷弹簧。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧，根据座椅靠背角度调节参数，确定平面涡卷弹簧的第一物理参数，然后根据平面涡卷弹簧的输入参数，确定平面涡卷弹簧的第二物理参数，最后根据第一物理参数和第二物理参数建立平面涡卷弹簧设计方法的数学模型和优化设计参数，达到在综合考虑座椅靠背角度调节要求和平面涡卷弹簧输入参数情况下获取优化设计参数的目的，实现平面涡卷弹簧的轻量化设计。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所提供的平面涡卷弹簧设计方法的流程图；

图2为本发明一实施例所提供的平面涡卷弹簧设计方法的示意图；

图3为本发明另一实施例所提供的直臂式平面涡卷弹簧结构形式示意图；

图4为本发明另一实施例所提供的斜臂式平面涡卷弹簧结构形式示意图；

图5为本发明另一实施例所提供的平面涡卷弹簧与内、外固定座的安装示意图。

图标：1-涡卷弹簧；2-内固定座；3-外固定座；1-1-内挂钩；1-2-内协调段；1-3-有效段；1-4-外协调段；1-5-外挂钩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有的汽车座椅调节步骤繁琐的问题，本发明实施例提供了一种平面涡卷弹簧设计方法，以下先对本发明的平面涡卷弹簧设计方法进行详细介绍。

实施例一

图1示出了本实施例所提供的一种平面涡卷弹簧设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤S102，根据座椅靠背角度调节参数，确定平面涡卷弹簧的第一物理参数。

具体地，平面涡卷弹簧的第一物理参数包括：回复力矩、调节角度，其中，回复力矩包含平面涡卷弹簧在座椅靠背前、后的极限位置处的回复力矩，在驾驶员进行座椅调整时，根据座椅靠背角度调节设计输入，确定平面涡卷弹簧的回复力矩和调节角度。

步骤S104，根据平面涡卷弹簧输入参数，确定平面涡卷弹簧的第二物理参数。

具体地，平面涡卷弹簧的第二物理参数包括：带材规格、安装空间、最大输出力矩公式、外形结构及力矩转角关系。其中，带材规格为带材的厚度h和宽度b；平面涡卷弹簧最大输出力矩计算公式为M_max＝Kbh²σ_b/4，式中K，为修正系数，b、h、σ_b分别为带材的宽度、厚度和抗拉强度；安装空间包括内固定座的外径a、外固定座的安装距离R和平面涡卷弹簧的最大轴向安装距离z_max。

步骤S106，根据第一物理参数和第二物理参数建立平面涡卷弹簧设计方法的数学模型。

具体地，前、后极限处的回复力矩分别为M_f＝[M_fmin,M_fmax]和M_r＝[M_rmin,M_rmax]，调节角度为Δθ。据此，计算得平面涡卷弹簧的总转角θ＝MΔθ/(M_r-M_f)，式中，M为平面涡卷弹簧的最大输出力矩。进一步地，平面涡卷弹簧的第二物理参数包括：带材规格、安装空间、最大输出力矩公式、外形结构及力矩转角关系。

如图2所示平面涡卷弹簧设计方法的示意图，该设计方法可以根据第一物理参数和第二物理参数获得约束条件。具体地，根据回复力矩、调节角度、带材规格、安装空间、最大输出力矩公式、外形结构和力矩转角关系作为输入，建立座椅靠背角度调节用平面涡卷弹簧设计的约束条件。进一步地，根据平面涡卷弹簧最大输出力矩公式M＝0.9Kσ_bbh²/4，建立最大输出力矩与带材厚度h、宽度b和力学参数Kσ_b之间的约束条件，然后根据力矩转角公式M＝EIθ/(1.25L)，建立最大输出力矩和带材规格、有效长度之间的约束条件，式中I＝bh³/12。此外，由于平面涡卷弹簧外形服从阿基米德螺线，在极坐标系中，则其螺线方程为式中，ρ，a，p，分别为阿基米德螺线的极径、起始半径、节距和极角，且a＝r₀+h/2；其次，根据式计算平面涡卷弹簧完全卷紧状态时的极角其中，p₁＝h；然后，由于平面涡卷弹簧自由状态时的极角则可根据式计算出自由状态时的平面涡卷弹簧节距p₂，进而求出自由状态时的平面涡卷弹簧有效段最外端的直径最后，建立平面涡卷弹簧外固定座安装距离的约束条件r_ρ+h/2≤R≤r_ρ+h/2+l₄和其轴向安装空间的约束条件0≤b≤z_max，其中，l₄为直臂段的长度。此外，还应根据平面涡卷弹簧制造商的生产能力，建立带材规格的尺寸约束条件0≤b≤b_max和0≤h≤h_max，式中，b_max和h_max分别为带材的最大宽度和最大厚度。

为了获取目标函数，根据第二数学物理参数获得目标函数。首先，将内挂钩、外协调段和外挂钩的长度设定为常值，分别记作l₁、l₄和l₅；其次，根据内固定座的外径和弧度计算出内协调段的长度l₂＝(a+h/2)θ_a，式中，θ_a为内固定座的弧度；其次，根据平面涡卷弹簧的最大输出力矩公式M＝0.9Kσ_bbh²/4和力矩转角公式M＝EIθ/1.25L，计算得有效段的长度L＝4Ehθ/(13.5Kσ_b)；然后，对上述各分段长度求和，得平面涡卷弹簧的总线长l＝l₁+l₂+L+l₄+l₅；最后，整理得平面涡卷弹簧的目标函数m＝ρ[l₁+(a+h/2)θ_a+4Ehθ/(13.5Kσ_b)+l₄+l₅]。

步骤S108，根据数学模型确定平面涡卷弹簧的优化设计参数，然后根据数学模型确定设计变量，最后将设计变量通过MATLAB编程求解，得到平面涡卷弹簧的优化设计参数。其中，平面涡卷弹簧设计变量众多，包含M_f、M_r、M、Δθ、θ、b、h、L、Kσ_b、R、a、l₄共12项设计变量。数学模型建立之后，根据各设计变量之间是否相互独立来确定独立变量。下面对确定独立变量的过程进行详细说明。首先，根据最大输出力矩公式M＝0.9Kσ_bbh²/4、力矩转角公式M＝EIθ/1.25L和θ＝MΔθ/(M_r-M_f)等式约束条件知，上述12项设计变量中的相对独立变量有9个，分别为M_f、M_r、b、h、L、Kσ_b、R、a、l₄；其次，在优化设计中，通常指定一种材质，且座椅靠背的调节角度Δθ为一定值，进而使得相对独立变量减少至7个，分别为M_f、M_r、b、h、L、Kσ_b、R、a、l₄；进一步地，若限制外协调段的长度l₄，则此时的相对变量减少为6个，分别为M_f、M_r、b、h、L、R；再近一步地，若再限制外挂钩的安装距离，则此时的相对独立变量减少为5个，分别为M_f、M_r、b、h、L；更近一步地，若再限制平面涡卷弹簧在前/后极限处的回复力矩M_f/M_r，则此时的相对独立变量减少为4个，分别为M_f/M_r、b、h、L。可选地，在确定相对独立变量时，应遵循“抓主舍次”原则，分析设计变量对优化结果的影响程度，在充分了解设计输入的前提下，尽量减少独立变量的数目，以确保正确、高效地获取设计变量。进一步地，将设计变量通过MATLAB编程求解，输出平面涡卷弹簧的优化设计参数。编程前，应进行设计变量的单位统一，其中，Kσ_b单位为MPa、尺寸单位为mm、力矩单位为Nmm、质量单位为g、角度单位为rad。编程时，首先根据目标函数表达式，建立目标函数的M文件；然后，根据约束条件，建立约束函数的M文件；最后，基于fmincon函数建立主函数的M文件。然后，运行主函数，输出优化设计参数。

本发明实施例提供的平面涡卷弹簧设计方法，通过根据座椅靠背角度调节参数，确定平面涡卷弹簧的第一物理参数，然后根据平面涡卷弹簧的输入参数，确定平面涡卷弹簧的第二物理参数，再根据第一物理参数和第二物理参数获得约束条件和目标函数，并根据约束条件和目标函数构建平面涡卷弹簧设计方法的数学模型，然后根据约束条件和目标函数建立平面涡卷弹簧设计方法的数学模型并获得设计变量，最后将设计变量通过MATLAB编程求解获得优化设计参数，达到根据座椅靠背角度和平面涡卷弹簧的输入参数获得优化设计参数的目的，实现对平面涡卷弹簧的轻量化设计。

实施例二

如图3至图5所示，平面涡卷弹簧外形结构包含内挂钩1-1、内协调段1-2、有效段1-3、外协调段1-4和外挂钩1-5。具体地，内挂钩1-1和外挂钩1-5用来实现平面涡卷弹簧的安装位置限定；内协调段1-2与内固定座2接触配合，主要用来确定平面涡卷弹簧的装配中心；有效段1-3是平面涡卷弹簧的有效工作部分，主要用来协调力矩转角的关系；外协调段1-4主要用来协调外挂钩1-5与外固定座3的安装位置。

图5为平面涡卷弹簧与内、外固定座的安装示意图，内挂钩1-1挂置于与座椅椅座固联的内固定座2上，用于与固定座椅椅座固定，外挂钩1-5挂置于与座椅椅背固联的外固定座3上，用于固定座椅椅座的外固定座3，在进行靠背角度调节时，首先解锁角度调节机构，然后在驾驶员倚靠力/平面涡卷弹簧回复力矩的作用下，实现座椅靠背的向后/向前调节。

本实施例提供的平面涡卷弹簧，包括挂钩和协调段，挂钩和协调段之间通过有效段连接固定，挂钩包括的内挂钩和外挂钩分别用于固定座椅椅座的内固定座和外固定座，当驾驶员进行靠背角度调节时，首先解锁角度调节机构，然后在驾驶员倚靠力/平面涡卷弹簧回复力矩的作用下，实现座椅靠背的向后/向前调节，提高了汽车座椅调节的便捷性。

本发明实施例提供的平面涡卷弹簧设计方法及平面涡卷弹簧具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种平面涡卷弹簧设计方法，其特征在于，包括：

根据座椅靠背角度调节参数，确定所述平面涡卷弹簧的第一物理参数；

根据平面涡卷弹簧输入参数，确定所述平面涡卷弹簧的第二物理参数；

根据所述第一物理参数和所述第二物理参数建立所述平面涡卷弹簧设计方法的数学模型；

根据所述数学模型确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一物理参数和所述第二物理参数建立所述平面涡卷弹簧设计方法的数学模型的步骤，包括：

根据所述第一物理参数和所述第二物理参数获得约束条件；

根据所述第二物理参数获得目标函数；

根据所述约束条件和所述目标函数建立数学模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述数学模型确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数的步骤，包括：

根据所述数学模型确定设计变量；

将所述设计变量通过MATLAB编程求解，确定所述平面涡卷弹簧的优化设计参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面涡卷弹簧的第一物理参数包括：回复力矩、调节角度；所述回复力矩包含平面涡卷弹簧在座椅靠背前、后的极限位置处的回复力矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面涡卷弹簧的第二物理参数包括：带材规格、安装空间、最大输出力矩公式、外形结构及力矩转角关系。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述安装空间包括内固定座的外径a、外固定座的安装距离R和平面涡卷弹簧的最大轴向安装距离z_max。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述带材规格为带材的厚度h和宽度b。

8.一种平面涡卷弹簧，其特征在于，所述平面涡卷弹簧采用权利要求1～7中任一项所述的平面涡卷弹簧设计方法设计而成，所述平面涡卷弹簧包括：内挂钩、内协调段、有效段、外协调段和外挂钩。

9.根据权利要求8所述的平面涡卷弹簧，其特征在于，所述外协调段为直臂式或斜臂式。

10.根据权利要求8所述的平面涡卷弹簧其特征在于，所述平面涡卷弹簧为非接触型平面涡卷弹簧。