CN111570999A - 用于振动焊接装置的弹簧组以及相应的振动焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于振动焊接装置的弹簧组。弹簧组包括第一纵向杆和平行于第一纵向杆并可相对于其移动的第二纵向杆。弹簧组的第一轴在第一和第二纵向杆的中间并平行于其纵向轴延伸。弹簧组包括多个板弹簧，每个板弹簧通过第一端和第二端分别与第一和第二纵向杆连接，弹簧组的第二轴垂直于第一轴延伸且在弹簧组处于非作用状态下平行多个板弹簧，因此弹簧中心线在非作用状态下平行于第二轴延伸。每一板弹簧包括与第一和/或第二纵向杆相邻的包括至少一个倒圆的第一部分，其关于弹簧中心线凹入形成。第一部分连续过渡到第二部分，第二部分关于弹簧中心线凸起形成，第二部分连续过渡到中心部分，使得相应的板弹簧的厚度在中心部分中最低。

Description

用于振动焊接装置的弹簧组以及相应的振动焊接装置
技术领域
本发明涉及一种用于振动焊接装置的弹簧组(spring package)、包括该弹簧组的振动焊接装置、用于该弹簧组的制造方法，以及用于提供具有弹簧组的振动焊接装置的改装方法。
背景技术
弹簧组在振动焊接装置中的使用通常是公知的。例如，针对振动切割装置和方法的WO 2009/068293 A1描述了一种包括两个振动头的装置，每个振动头包括彼此平行布置的两个弹簧组。
EP 1 834 754 A2描述了另一种振动焊接装置以及相应的振动头。这里，多个盘状弹簧用于形成弹簧组。
在WO 2013/135893 A1中描述了又一种振动焊接机和用于操作振动焊接机的方法。在该装置中，使用排列成行的两个弹簧组。
最后，EP 0 497 322 A1描述了一种用于振动焊接装置的振动头的板弹簧(leafspring)装置。板弹簧装置由彼此联接的单个板弹簧组成。
除了根据EP 1 834 754 A2的装置之外，上述振动焊接装置的每个弹簧组包括第一纵向杆和第二纵向杆，以及在第一纵向杆和第二纵向杆之间延伸的多个板弹簧。每个板弹簧包括与第一纵向杆和第二纵向杆相邻的由一个底部半径限定的第一部分。换句话说，两个相邻板弹簧之间的间隙形成为与对应于一半的圆或半圆的第一纵向杆和第二纵向杆相邻。这些半圆中的一个半圆的端部均通过直线连接到相对布置的半圆的相对端部，使得在弹簧组的侧视图中，间隙具有长方形或椭圆形孔的形状。
本发明的目的是在应力或载荷分布以及考虑到与现有技术设计相比的制造成本的方面，同时保持由根据现有技术的弹簧组所提供的质量和特性，优化板弹簧的设计，从而优化弹簧组的设计。
发明内容
上述目的通过根据独立权利要求1的用于振动焊接装置的弹簧组、根据独立权利要求11的包括弹簧组的振动焊接装置、根据独立权利要求12的用于弹簧组的制造方法以及根据独立权利要求13的用于提供具有弹簧组的振动焊接装置的改装方法来解决。进一步优选的实施例和开发从以下描述、附图以及所附权利要求得出。
一种用于振动焊接装置的弹簧组，包括用于固定连接到振动焊接装置的框架的第一纵向杆，平行于第一纵向杆并可相对于第一纵向杆移动以及用于连接到工具的第二纵向杆，其中弹簧组的第一轴在第一纵向杆的纵向轴和第二纵向杆的纵向轴之间的中部并平行于第一纵向轴延伸，多个板弹簧，多个板弹簧中的每个板弹簧通过第一端连接至所述第一纵向杆且通过第二端连接至所述第二纵向杆，其中所述弹簧组的第二轴垂直于所述第一轴延伸，以及在所述弹簧组的非作用状态下平行于所述多个板弹簧，因此在所述弹簧组的非作用状态下，弹簧中心线在所述板弹簧的中间平行于所述第二轴延伸，以及所述多个板弹簧中的每一个包括与所述第一纵向杆和/或所述第二纵向杆相邻的包括至少一个倒圆的第一部分，使得所述第一部分相对于所述弹簧中心线凹入形成，其中所述第一部分连续过渡到第二部分，所述第二部分相对于所述弹簧中心线凸起形成，且所述第二部分连续过渡到与所述第一轴相邻布置的中心部分，使得相应的所述板弹簧的厚度在所述中心部分中最低。
为了更容易理解，将基于示例性实施例来说明本发明的弹簧组。此外，使用右手笛卡尔坐标系，从而清楚地限定弹簧组的构件之间的关系。在这点上，特别优选的是弹簧组的构件，即第一纵向杆和第二纵向杆以及多个板弹簧，形成为一体件。
在该示例中，第一纵向杆和第二纵向杆均由长方体限定，优选由相同的长方体限定。例如，一个长方体的角可用作弹簧组的右手笛卡尔坐标系的基准。由于长方体形状，第一纵向杆和第二纵向杆各自具有由矩形限定的基面，其中纵向侧限定对应于笛卡尔坐标系的x轴的纵向轴或第一轴，而较短侧限定对应于笛卡尔坐标系的y轴的第二轴。在这点上，具有最大表面积的面之一被认为是基面。因此，长方体的第三轴(即笛卡尔坐标系的z轴)定义了高度。第一杆的高度优选地等于第二杆的高度。
另外，第一杆和第二杆以它们的基面中的一个基面以期望的或技术上给定的距离彼此相对的方式布置。在该布置中，第一纵向杆和第二纵向杆的由相应的基面限定(即由笛卡尔坐标系的x轴和y轴限定)的假想的第一平面彼此平行。因此，弹簧组的第一轴平行于第一纵向杆和第二纵向杆的纵向轴或第一轴延伸，并因此平行于笛卡尔坐标系的x轴线延伸。弹簧组的第二轴平行于笛卡尔坐标系的z轴延伸。因此，弹簧组的第二轴垂直于第一轴延伸。
而且，第一轴属于假想的第一平面，其在第一纵向杆和第二纵向杆之间在中部延伸，即沿着笛卡尔坐标系的z轴在中部延伸。如稍后将解释的，该第一轴因此在弹簧组的非作用状态下形成用于整个弹簧组的第一对称轴。
在如此布置的第一杆和第二杆之间布置有多个板弹簧。相应地，每个板弹簧的第一端连接到第一杆，并且第二端连接到第二杆。因此，第二轴不仅垂直于第一轴延伸，而且在弹簧组的非作用状态下平行于多个板弹簧延伸。
此外，并且在弹簧组的非作用状态下，每个板弹簧的中心线在板弹簧的中间平行于弹簧组的第二轴延伸，并且因此在相对于假想的第一平面成直角的方向上延伸，即平行于笛卡尔坐标系的z轴延伸。在这种状态下，每个板弹簧的中心线也形成相应板弹簧的对称轴。为了完整起见，在弹簧组的第二轴构思在第一纵向杆和第二纵向杆的中间的情况下，即在中部沿笛卡尔坐标系的x轴，它为弹簧组提供另一对称轴。
每个板弹簧平行于笛卡尔坐标系的y轴的延伸优选地等于第一纵向杆和第二纵向杆在y方向上的延伸。关于板弹簧在笛卡尔坐标系的x方向上的延伸，其也可以被设为板弹簧的厚度方向，其在z方向上沿着板弹簧的路线而变化，如下文将解释的。
每个板弹簧的形状可被认为基本上由双T形构成，其中T形的横向杆用于连接到相应的纵向杆，并且两个T形在弹簧组的第一轴处(即在纵向杆之间的中间位置)彼此邻接。因此，多个板弹簧中的每一个包括邻近第一和/或第二纵向杆的第一部分和在弹簧组的第一轴的区域中中心部分。第一部分和中心部分通过第二部分彼此连接。
第一部分包括至少一个倒圆，使得第一部分相对于弹簧中心线凹入形成。因此，板弹簧的厚度，即在笛卡尔坐标系的x方向上的延伸，从纵向杆中之一沿中心线减小。
在中心部分的区域中，板弹簧的厚度是最低的。这与根据现有技术的上述布置相反，在现有技术中，除了第一部分之外，板弹簧的厚度不改变。
由于厚度在中心部分中最低的限定，连接第一部分和中心部分的第二部分须具有相对于板弹簧的中心线的锥形形状。因此，第一部分连续地过渡到第二部分中，第二部分又连续地过渡到与弹簧组的第一轴相邻布置的中心部分中。在这方面，且根据本发明，第二部分不具有相对于中心线倾斜的线性直线的形状，而是形成为与之相反的凸形形状。因此，与线性直线相比，至少在第二部分的与第一部分相邻的区域中，从相应的杆朝向中心部分沿中心线厚度减小。
关于所有前述部分彼此之间的连接以及与相应的第一纵向杆和第二纵向杆的连接，该连接必须在连接点(xc，yc)处大体上满足方程(1)和(2)：
f'(xc)＝g'(xc) (1)
f(xc)＝g(xc) (2)
这意味着曲线的导数和函数值在连接点处必须相同。必须在所有使用的部分之间，即在中心部分和凸出的第二部分之间，以及凸出的第二部分和第一部分之间，都必须满足这一要求。
当通过孤立点和线性插值定义部分的连接时，仅可通过差值定义导数。通常基于以下方程(3)：
Figure BDA0002432927200000041
其中：
f′(xi)：在xi点处求导
i：点的序号。
该特定设计的第一优点，特别是板弹簧的第一优点在于，由于第二部分的凸形形状，在使用弹性组件期间，可以显著地减小相应板弹簧所经受的载荷。特别地，载荷被更均匀地分布在板弹簧内。因此，考虑到相同的应用，与现有技术的弹簧组相比，本发明的弹簧组所经受的总载荷减小。为此，弹簧组的寿命进一步增加。
因此，与现有技术的弹簧组相比，存在减少在弹簧组中所使用的板弹簧的数量的可能性，同时将总应力或载荷分布保持在现有技术的弹簧组的载荷分布的范围内。因此，由于板弹簧的减少，弹簧组的制造成本降低，同时仍然保持了现有技术弹簧组所提供的质量和特性。
在本发明弹簧组的优选实施例中，第二部分具有自然曲线的形状，特别是抛物线、指数函数、斐波纳契曲线、双曲线等。已经发现，这种自然曲线的形状导致板弹簧内特别均匀的应力或载荷分布，因此导致弹簧组内特别均匀的应力或载荷分布。
在弹簧组的另一优选实施例中，布置在第一纵向杆和第二纵向杆的端部处的板弹簧包括相对于弹簧中心线在弹簧组的外侧上比在弹簧组的内侧上短的第一部分。现有技术的弹簧组由多个相同的板弹簧组成。因此，考虑到第一部分切向地过渡到相应纵向杆的点处，第一部分在笛卡尔坐标系的正x方向和负x方向上从中心线的延伸是相同的。换句话说，由第一部分切向地过渡到相应纵向杆的两个点限定的直线的中部布置在中心线上。现在，相对于优选实施例，中部偏离中心线。这通过缩短布置在弹簧组的端部处的板弹簧的第一部分的面向外的侧来实现。通过这种缩短，与在弹簧组的端部处并且具有未缩短的第一部分的板弹簧相比，可以减小应力或载荷分布，特别是减小最后的板弹簧内的应力或载荷分布，并且优选地，减小倒数第二个板弹簧内的应力或载荷分布。
根据弹簧组的另一优选实施例，中心部分包括由至少一个倒圆组成的第三部分，使得第三部分形成为相对于弹簧中心线凹入。另外，优选地，中心部分包括在第三部分和邻近的第二部分之间的第四部分，该第四部分相对于弹簧中心线以线性逐渐减小的方式形成。每个部分连续地过渡，即无阶梯地进入相邻部分，并且特别是相切地进入相邻部分，如上面已经说明的。由于中心部分的凹入形状，在弹簧组的第一轴处不存在锐角，而是存在圆曲线。这种布置进一步改善了板弹簧内的应力分布，并确保厚度不会降到将削弱该布置的所需最小值以下。
还优选地，第一部分包括至少两个不同的倒圆，并且所述至少两个不同的倒圆中的较小的倒圆与所述第一和/或第二纵向杆相邻，而所述至少两个不同的倒圆中的较大的倒圆与所述第二部分相邻。特别地，优选地，第一部分具有可变倒圆。关于术语可变倒圆及其定义，特别参考J.T.P.卡斯特罗等人：“关于凹口形状优化以最小化应力集中的说明”的出版物，载于理论和应用断裂力学84,2016,第72-85页，爱思唯尔出版公司。其中，参考了在1941年提出的用于肩部圆角的Grodzinski图形方法，其也显示在本出版物的图2中。
回到弹簧组的优选实施例，第一部分在一端连续地、特别是相切地过渡到相应的杆中，而在另一端连续地、特别是相切地过渡到第二部分中。与现有技术弹簧组中使用的板弹簧相比，对于第一部分使用至少两个不同的倒圆进一步改善了板弹簧内的应力或载荷分布。
根据弹簧组的另一优选实施例，两个相邻的板弹簧在第一纵向杆和第二纵向杆处彼此连接，使得第一板弹簧的第一部分的面向相邻的第二板弹簧的一侧直接且连续地过渡到相邻的第二板弹簧的第一部分的面向第一板弹簧的一侧。因此，如已经关于具有中心部分和凹入的第三部分的实施例所说明的，一板弹簧的第一部分直接且连续地过渡到相邻弹簧的第一部分。这种布置提供了特别紧凑的弹簧组。
根据优选的替代实施例，两个相邻的板弹簧在第一纵向杆和/或第二纵向杆处以及在相应的第一部分的彼此面对的侧面处由平行于第一轴延伸的线性部分分开。这种布置在笛卡尔坐标系的上述x方向上的期望延伸的情况下是特别有用的，使得尽管与现有技术的弹簧组相比弹簧的数量可以减少，但是总长度，即x方向上的延伸，保持不变。通过这样方式，根据该优选实施例的弹簧组也可以代替振动焊接装置中的现有技术的弹簧组，而无需任何进一步的改编。
本发明的振动焊接装置，包括至少一个本发明的弹簧组。通过在振动焊接装置中使用本发明的弹簧组，可以利用该振动焊接装置实现本发明的弹簧组的上述优点。因此，为了避免重复，参考上述说明。
本发明的用于本发明的弹簧组的制造方法包括以下步骤：提供材料块，加工该材料块，尤其是通过铣削，以产生第一和纵向杆第二纵向杆以及多个板弹簧，其中多个板弹簧中的每一个包括与第一纵向杆和/或第二纵向杆相邻的包括至少一个倒圆的第一部分，使得第一部分相对于弹簧中心线形成凹入，其中，该第一部分连续地过渡到相对于弹簧中心线凸起形成的第二中心，且第二部分连续地过渡到邻近第一轴布置的中心部分中，使得相应板弹簧的厚度在中心部分中是最低的，特别是在第一轴处。因此，可以通过本发明的制造工艺制造本发明的弹簧组。因此，关于本发明的弹簧组的优点和技术效果，参考以上说明。
一种用于提供具有至少一个本发明的弹簧组的振动焊接装置的本发明的改装方法，包括以下步骤：提供至少一个本发明的弹簧组，拆卸存在于振动焊接装置中的至少一个弹簧组，以及将至少一个本发明的弹簧组安装到振动焊接装置中。因此，通过这种改装方法，已经存在于例如顾客场所的振动焊接装置可有效地装备有本发明的弹簧组，从而在改装之后，也可通过这种振动焊接装置实现上述优点和技术效果。
附图说明
下面根据附图来详细地说明本发明。附图中相同的附图标记表示相同的部件和/或元件。
示出为：
图1示出了在非作用状态下用作起始点的弹簧组的实施例，
图2示出了处于作用状态的根据图1的实施例，
图3示出了根据本发明的弹簧组的第一实施例，
图4示出了用于说明改进的数学计算的一个板弹簧，
图5示出了图4的板弹簧的上半部分，
图6示出了用于说明改进的数学计算的第二部分的曲线，
图7示出了弹簧组的实施例，表明板弹簧的第一部分在弹簧组的端部处缩短，
图8示出了弹簧组的另一实施例，表明板弹簧的第一部分在弹簧组的端部处缩短，
图9示出了在第一部分中具有两个半径的弹簧组的实施例，
图10是根据本发明的弹簧组的另一实施例的一部分的放大图，
图11示出了用于构造板弹簧的第一部分的可变半径，
图12示出了基于图10的实施例的板弹簧的第一部分和第二部分的放大图，
图13示出了根据图1的弹簧组中的应力分布，
图14示出了实现本发明的改进中的至少一些改进的弹簧组的实施例中的应力分布，
图15示出了根据图1的弹簧组的实施例与本发明的弹簧组的两个实施例的比较，
图16是用于弹簧组的本发明制造方法的实施例的流程图，以及
图17是用于提供具有弹簧组的振动焊接装置的本发明的改装方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在下文中，且为了增强对本发明的理解，参考图1和图2来说明用于改进的作为内部出发点的弹簧组1。
在讨论弹簧组时，使用右手笛卡尔坐标系作为参考，以便清楚地定义弹簧组的构件之间的关系。此外，从图中可看出，所述弹簧组形成为单件，即这些构件彼此不可释放地布置。
现在参考图1和图2，弹簧组1包括第一纵向杆10和第二纵向杆20。第一纵向杆10用于与振动焊接装置的框架固定连接，而第二纵向杆20用于与振动焊接的工具连接。因此，第一纵向杆10和第二纵向杆20可相对于彼此移动。此外，如下面将要解释的，第一纵向杆10和第二纵向杆20彼此平行地布置。
第一纵向杆10和第二纵向杆20中的每一个由长方体限定，其中长方体是相同的。在所示的示例中，第二杆20的左下角用作弹簧组1的右手笛卡尔坐标系的基准。因此，在图1中，x轴沿着第二纵向杆20的下边缘延伸，y轴垂直于由片材限定的平面，而z轴沿着第一纵向杆10的方向延伸。
由于长方体形状，第一纵向杆10和第二纵向杆20各自具有由矩形限定的基面，其中纵向侧限定纵向轴或第一轴，对应于笛卡尔坐标系的x轴，而较短侧限定第二轴，对应于笛卡尔坐标系的y轴。在这点上，具有最大表面积的面之一被认为是基面。因此，长方体的第三轴(即笛卡尔坐标系的z轴)定义了高度。第一杆10的高度等于第二杆20的高度。
另外，第一杆10和第二杆20以它们的基面中的一个基面以期望的或技术上给定的距离彼此相对的方式布置。在该布置中，第一纵向杆10和第二纵向杆20的由相应的基面限定(即由笛卡尔坐标系的x轴和y轴限定)的假想的第一平面彼此平行。因此，弹簧组1的第一轴3平行于笛卡尔坐标系的x轴线延伸。弹簧组1的第二轴5平行于笛卡尔坐标系的z轴延伸。因此，弹簧组1的第二轴5垂直于第一轴3延伸。
而且，第一轴3属于假想的第一平面，其在第一纵向杆10和第二纵向杆20中间延伸。如稍后将解释的，该第一轴3因此在如图1所示的弹簧组1的非作用状态下形成用于整个弹簧组1的第一对称轴。
在如此布置的第一杆10和第二杆20之间布置有多个板弹簧30。为了提高理解，图1中的虚线用于指示第一纵向杆10和第二纵向杆20与多个板弹簧30之间的假想的边界。每个板弹簧30的第一端连接到第一杆10，而第二端连接到第二杆20。因此，第二轴5不仅垂直于第一轴3延伸，而且在弹簧组1的非作用状态下平行于多个板弹簧30延伸。
此外，在弹簧组1的非作用状态下，每个板弹簧30的中心线32在板弹簧30的中间平行于弹簧组1的第二轴5延伸。因此，中心线32在相对于假想的第一平面成直角的方向上延伸，即它平行于笛卡尔坐标系的z轴延伸。每个板弹簧30的中心线32形成相应板弹簧30的对称轴。为了完整起见，在弹簧组1的第二轴5构思在杆10、20的中间的情况下，如图1所示，其为处于非作用状态的弹簧组1提供另一对称轴。
每个板弹簧30平行于笛卡尔坐标系的y轴的延伸优选地等于第一纵向杆10和第二纵向杆20在y方向上的延伸。关于板弹簧30在笛卡尔坐标系的x方向上在第一纵向杆10或第二纵向杆20处的延伸，第一部分34结束于第一部分34连续切向地过渡到第一纵向杆10或第二纵向杆20中的点处。在图1和图2所示的实施例中，两个相邻的板弹簧30在第一纵向杆10和第二纵向杆20处彼此连接，使得第一板弹簧30的第一部分34的面向相邻的第二板弹簧30的一侧直接过渡到相邻的第二板弹簧30的第一部分34的面向第一板弹簧30的一侧。因此，一个板弹簧30的第一部分34直接且连续地过渡到相邻弹簧30的第一部分34。这种布置提供了特别紧凑的弹簧组。
进一步，关于在笛卡尔坐标系的x方向上的延伸，其也可以被表示为板弹簧30的厚度方向，该延伸在z方向上沿着板弹簧30的路线变化，如下面将要解释的。
每个板弹簧30的形状可被认为基本上由双T形构成，其中T形的横向杆或横向线用于连接到相应的纵向杆10、20。因此，连接在板弹簧30之间形成的间隙中的每个间隙的相邻最低点或最高点可用于确定纵向杆10、20在何处结束以及第一部分34在何处开始。
此外，两个T形在弹簧组1的第一轴3处(即在纵向杆10、20中间)彼此邻接。所得到的假想的邻接位置对应于包括弹簧组1的第一轴3的假想平面，其中该假想平面垂直于弹簧组1的第二轴5。因此，多个板弹簧30中的每一个包括邻近第一纵向杆10和/或第二纵向杆20的第一部分34和在弹簧组1的第一轴3的区域中的中心部分44。第一部分34和中心部分44通过第二部分42彼此连接。
第一部分34精确地包括一倒圆36，使得第一部分34形成为相对于弹簧中心线32凹入。可以看出，第一部分34连续地相切地过渡到相应的纵向杆10、20中。因此，板弹簧30的厚度(即在笛卡尔坐标系的x方向上的延伸)从杆10、20中之一沿中心线32在弹簧组1的第一轴3的方向上减小。在中心部分44的区域中，板弹簧30的厚度是最低的。
由于厚度在中心部分44中最低的限定，连接第一部分34和中心部分44的第二部分42须具有相对于板弹簧30的中心线32的锥形形状。在图1和图2所示的示例中，第二部分42由直线形成，使得第一部分34切向连续地过渡到第二部分42中，第二部分42又切向连续地过渡到中心部分44中。在这方面，中心部分44包括与第一轴3相邻的凹形形状，该凹形形状是由包括倒圆48并且是中心部分44的一部分的第三部分46形成的。此外，在弹簧组1的非作用状态下，第一轴3和第二轴5可用作对称轴，如图1所示。
关于所有前述部分34、42和44彼此之间的连接以及与相应的第一纵向杆10和第二纵向杆20的连接，该连接必须在连接点(xc，yc)处大体上满足已经解释的方程(1)和(2)：
f'(xc)＝g'(xc) (1)
f(xc)＝g(xc) (2)
这意味着曲线的导数和函数值在连接点处必须相同。因此，部分34、42和44连续地且切向地过渡到彼此以及连续地且切向地过渡到第一纵向杆10和第二纵向杆20。所说明的所有弹簧组都满足该条件。
另外，当通过孤立点和线性插值定义部分34、42和44的连接时，仅可能通过差值定义导数。通常基于以下方程(3)：
Figure BDA0002432927200000091
其中：
f′(xi)：在xi点处求导
i：点的序号。
现在参考图3，说明根据本发明的弹簧组100的第一实施例。除了两个例外，弹簧组100对应于上述示例性弹簧组1。
首先，第二部分142不具有相对于中心线132倾斜的直线形状，而是形成为与之相反的凸形形状。因此，与线性直线相比，至少在第二部分142的与第一部分134相邻的区域中，从相应的杆110、120朝向中心部分144沿中心线132厚度减小。
这种特殊设计的优点(特别是板弹簧130的优点)在于，由于第二部分142的凸形形状，在使用弹簧组100的过程中，相应板弹簧130所承受的载荷可显著减小。特别地，载荷被更均匀地分布在板弹簧130内。因此，考虑到相同的应用，与现有技术的弹簧组1相比，减小了由弹簧组承受的总载荷。为此，弹簧组100的寿命进一步增加。
作为进一步的结果，与现有技术的弹簧组1相比，存在减少在弹簧组100中所使用的板弹簧130的数量的可能性，同时将总应力或载荷分布保持在现有技术的弹簧组1的载荷分布的范围内。因此，由于板弹簧130的减少，弹簧组100的制造成本降低，同时仍然保持由现有技术的弹簧组1提供的质量和特性。
作为进一步的结果，特别是在弹簧组100将替换沿笛卡尔坐标系的x轴具有特定延伸的弹簧组1的情况下，两个相邻的板弹簧130可在第一纵向杆110和第二纵向杆120处以及在相应的第一部分134的彼此面对的侧面处由平行于第一轴103延伸的线性部分112、122分开。在图3所示的实施例中，这样的线性部分仅表示用于第一纵向杆110，尽管它也存在于第二纵向杆120中。这种布置在笛卡尔坐标系的上述x方向上的期望延伸的情况下是特别有用的，使得尽管与先前的弹簧组1相比弹簧130的数量可以减少，但是总长度，即x方向上的延伸，保持不变。通过这样方式，根据该优选实施例的弹簧组100也可以代替振动焊接装置中的现有技术的弹簧组，而无需任何进一步的改编。
然而，在替代实施例中，两个相邻的板弹簧可在第一纵向杆110和第二纵向杆120处彼此连接，使得第一板弹簧130的第一部分134的面向相邻的第二板弹130的一侧直接过渡到相邻的第二板弹130的第一部分134的面向第一板弹簧130的一侧。
现在从根据图1和图2的弹簧组1开始，说明用于实现弹簧组100的设计的第一改进(即凸形的第二部分142)的数学方法。在这方面，我们首先参考图4和图5。
图4示出了根据图1的具有一个板弹簧30的弹簧组1的截面。关于每个板弹簧30的第二部分42的改进结构，首先只考虑弹簧组1的弯曲力矩。因此，板弹簧30的第二部分42的形状的计算可基于恒定应力或载荷的梁的数学描述。在本示例中，通过简化整个弹簧组1来使用一个板弹簧30的简化模型。
如上所述，主要目标是限定一个板弹簧30的形状。因此，使用下面的(4)：
Figure BDA0002432927200000111
其中：
F：作用在一个板弹簧30上的力
Fspr：作用在整个弹簧组1上的力
nleaf：板弹簧30的数量。
为了精确地描述一个板弹簧30，有必要考虑其他板弹簧30的冲击，因为板弹簧30的第一端和第二端不具有角变形。因此，弯曲力矩必须限定在板弹簧30的简化模型的端部。这可以基于以下方程(5)来完成：
Figure BDA0002432927200000112
Mbend：作用在板弹簧30端部的弯曲力矩
F：作用在一个板弹簧30上的力
lleaf：板弹簧沿笛卡尔坐标系z轴的长度。
板弹簧30的长度对应于第一纵向杆10和第二纵向杆20之间的距离。换句话说，第一部分34的两个点通过假想的第一直线连接，在所述两个点处，第一部分34与相应的纵向杆10、20相切地布置。在图中，各假想线由虚线表示。第一纵向杆10和第二纵向杆20中的相应的第一假想直线在图1、图4和图5中示出，并且通过沿着笛卡尔坐标系的z轴、特别是沿着中心线32的第二直线(未示出)彼此连接。该第二直线或如图所示的中心线32的长度分别被认为是板弹簧30的长度。
此外，参考上面的方程(5)，在板弹簧30的中间的弯曲力矩，即在弹簧组1的第一轴3上为零。因此，可以将整个计算简化为梁计算。
现在考虑前面的简化，与板弹簧30沿笛卡尔坐标系的y轴的深度相对应的恒定厚度和与板弹簧30沿笛卡尔坐标系的x轴的厚度相对应的可变高度的梁可被用于对问题进行概括性地描述。因此，下一方程(6)的结果定义了如图3中所使用的板弹簧130的第二部分142的特征。
Figure BDA0002432927200000121
其中：
hz：梁的高度，对应于板弹簧30的厚度，即沿弹簧组100的笛卡尔坐标系的x轴的延伸，随变量z而定，
F：作用在一个板弹簧130上的力，
z：半个板弹簧130的长度，即开始或结束于弹簧组100的第一轴103的沿弹簧组100的笛卡尔坐标系的z轴的高度，如图5所示，
b：板弹簧130的宽度，即板弹簧130沿笛卡尔坐标系的y轴的延伸，
σ：所需的应力或载荷。
使用根据上述示例的数学模型导致通过使用抛物线的一部分来将第二部分142形成为凸形，如图6所示。尽管如此，在其他替代方案中，第二部分142可大体上具有自然曲线的形状，尤其是指数函数、斐波纳契曲线、双曲线等的形状。已经发现，这种自然曲线的形状导致在板弹簧130内特别均匀的应力或载荷分布，从而导致在弹簧组100内特别均匀的应力或载荷分布。
另外，参考图6，可仅使用抛物线的一部分来避免中心部分144中的板弹簧130的厚度减小到所需最小值以下。为了计算所需的最小厚度，必须考虑力在板弹簧130上的剪切应力。根据下面的方程(7)来定义剪切应力：
Figure BDA0002432927200000122
其中：
τ：剪应力
F：作用在一个板弹簧上的力
A：板弹簧面积。
根据冯·米塞斯假设(von Mises hypothesis)，剪切应力还必须满足以下方程(8)：
Figure BDA0002432927200000123
其中：
τ：剪应力
σ：所需应力或载荷。
根据前面的方程(8)，可以限定板弹簧130的最小厚度，即在弹簧组100的第一轴103的方向上的厚度。由于在FEM分析中对该计算模型的验证，优选地使用安全系数来计算最小厚度，因为在所计算的梁的开始，即在板弹簧130的中间，剪切应力和拉伸应力的叠加的影响比在其他位置更可观察到。
根据上述说明，初始高度，即一个板弹簧130的初始厚度，可基于以下方程(9)来计算：
Figure BDA0002432927200000131
hinit：半个板弹簧130的初始高度，即半个板弹簧130沿笛卡尔坐标系的z轴从弹簧组100的第一轴103到第一纵向杆110或第二纵向杆120的长度，
F：作用在一个板弹簧130上的力，
b：板弹簧130的宽度，即板弹簧130沿着笛卡尔坐标系的y轴的延伸，
σ：所需应力或载荷。
最小厚度存在于弹簧组100的第一轴103处的和/或附近处的中心部分144中。在这点上，中心部分144包括在第一轴103处和/或直接邻近第一轴103的由倒圆148形成的第三部分146。由此，第三部分146形成为相对于弹簧中心线132凸形。此外，与第三部分146相邻处存在由直线构成的第四部分150。该第四部分用于连接第三部分146和第二部分142。相应地，且如图6所示，第四部分150相对于弹簧中心线132以线性逐渐减小的方式形成。每个部分连续地过渡，即无阶梯地进入相邻部分，如上文参考方程(1)到(3)所说明的。
由于中心部分144的凹形形状，在弹簧组100的第一轴103处不存在锐角，而是存在圆曲线。这种布置进一步改善了板弹簧130内的应力分布，并确保厚度不会降到将削弱该布置的所需最小值以下。
进一步或第二改进涉及布置在第一纵向杆110和第二纵向杆120的端部处的板弹簧，并且将具体参考图7和图8进行说明。由于多个板弹簧130中的最后一个板弹簧130包括第一部分，该第一部分相对于弹簧中心线132在弹簧组100的外侧上比在弹簧组100的内侧上短，因此实现了这种改进。
现有技术的弹簧组包括多个相同的板弹簧30，如上所述。因此，考虑到第一部分34相切地过渡到相应的纵向杆10、20中的点处，第一部分34在笛卡尔坐标系的x方向上从中心线32的延伸是相同的。换句话说，由第一部分34相切地过渡到相应的纵向杆10、20中的两个点限定的线的中部布置在中心线32上。
现在，关于图3、图7和图8所示的实施例，该中部偏离中心线132。这通过缩短布置在弹簧组100的端部处的板弹簧130的第一部分134的面向外的侧来实现。通过缩短第一部分134的该侧，与具有未缩短的第一部分34的板弹簧30相比，可以减小应力或载荷分布，特别是减小最后的板弹簧130内的应力或载荷分布，并且优选地，减小倒数第二的板弹簧130内的应力或载荷分布。
这种位移可在数学上描述如下。对于用作起点的弹簧30的设计存在这样的经验，即在弹簧组1的端部处的板弹簧30比其余的板弹簧30受到最大的应力。因此，必须说明板弹簧30与第一纵向杆10和第二纵向杆20之间的力相互作用。为此，首先必须识别每个板弹簧30中的应力类型。
在这方面，还存在来自每个板弹簧30的弯曲力矩，该弯曲力矩作用在第一纵向杆10和第二纵向杆20上。每个板弹簧30的相应弯曲力矩的求和导致作用在第一纵向杆10和第二纵向杆20上的总弯曲力矩。该产生的弯曲力矩会倾斜第一纵向杆10和第二纵向杆20。此外，总弯曲力矩通过张力和压力作用在每个板弹簧30上。
在这点上，且当向右移动第二纵向杆20时，即在笛卡尔坐标系的正x方向上，在弹簧组1的左外侧处的板弹簧30与其他板弹簧30一样被更张紧，而在右外侧处的板弹簧30与其他板弹簧30一样被更压缩。换句话说，在左外侧的板弹簧30的张紧部分具有比其余板弹簧30更大的拉伸应力，并且在右侧外侧的板弹簧30具有更大的压缩应力。
根据先前对板弹簧30之间的应力分布的描述，值得减轻边缘的板弹簧30，即位于弹簧组1的端部处的板弹簧30。这通过缩短端部的板弹簧130的第一部分134以及弹簧组100的第一纵向杆110和第二纵向杆120来实现，这在图7中由附图标记114表示。因此，第一纵向杆110和第二纵向杆120的弯曲力矩不会过多地传递到边缘的板弹簧130，即位于弹簧组100的端部处的板弹簧130。因此，边缘的板弹簧130上的应力减小，而在弹簧组100中间的板弹簧130上的应力增大。因此，应力的分布在整个弹簧组100上更好。
现在参考图9，描述了弹簧组200的另一实施例。该实施例主要对应于弹簧组100的先前实施例。作为进一步的改进，第一部分234包括两个不同的倒圆，即较小的第一倒圆236和较大的第二倒圆238。较小的第一倒圆236与第一纵向杆210和/或第二纵向杆相邻，而较大的第二倒圆238与第二部分242相邻。按此顺序使用两个不同倒圆进一步改善了弹簧组200的板弹簧230内的应力分布。
图10示出了本发明的弹簧组300的另一实施例的截面。该弹簧组300主要对应于上述弹簧组100和200。作为进一步的改进，第一部分具有可变倒圆340。关于术语可变倒圆及其定义，特别参考J.T.P.卡斯特罗等人：“关于凹口形状优化以最小化应力集中的说明”的出版物，载于理论和应用断裂力学84,2016,第72-85页，爱思唯尔出版公司。其中，参考了在1941年提出的用于肩部圆角的Grodzinski图形方法，其也在本图11中示出。
为了计算具有可变倒圆340的第一部分，使用截面线的点中的可变倒圆曲线的插值法。该曲线的定义不直接用初始或最终半径来计算，因此需要对半径进行额外的验证以达到技术上可实现的倒圆。根据由三个点构成的圆的定义来设置用于验证的各个半径，这在下面的方程(10)中示出。
Figure BDA0002432927200000151
其中：
A＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2
Figure BDA0002432927200000152
Figure BDA0002432927200000153
Figure BDA0002432927200000154
如果计算的最小半径不低于技术上可伸缩的最小半径，则优选验证每个创建的可变倒圆曲线。作为另一种选择并且关于更大的倒圆，它们可以基于FEM分析来确定。在这点上，图12示出了凸形的第二部分342和具有可变倒圆340的第一部分的组合。
现在参考图13和图14，示出了用作起始点的弹簧组1内的应力分布与本发明的弹簧组300的实施例内的应力分布的比较。容易看出，与弹簧组100的边缘的板弹簧30相比，边缘的板弹簧330上的应力明显减小。
在图15中示出了弹簧组的进一步的整体比较。其中，在顶部示出了用作起点的弹簧组1。下面布置的两个另外的弹簧组400和500对应于上面讨论的弹簧组300，并且仅在使用的板弹簧的数量上不同。在这方面，弹簧组1包括14个板弹簧30，弹簧组400包括12个板弹簧，弹簧组500包括11个板弹簧。
为了进一步阐明本发明所实现的改进，基于在振动焊接装置中使用弹簧组的计算值来比较图15所示的不同实施例。作为参考，根据不同模拟的具有14个板弹簧30的弹簧组1所经受的应力被定义为无单位的值100。
相比之下，根据模拟，同样具有14个板弹簧的本发明的弹簧组将经受无单位的值约为94.6的应力。现在，当将板弹簧的数量减少到13个板弹簧时，根据模拟，本发明的弹簧组所经受的应力约为96.6的无单位的值。因此，具有13个板弹簧的弹簧组所经受的应力远低于具有14个板弹簧的弹簧组1所经受的应力。因此，可以进一步减少板弹簧的数量。
为此，模拟了具有十二个板弹簧的弹簧组400。结果，根据模拟的类型，具有十二个板弹簧的该弹簧组400所经受的应力具有在96.9和99.1之间的无单位的值。
由于对于具有14个板弹簧的弹簧组1，这两个值仍然低于无单位的值100，所以模拟了具有11个板弹簧的本发明的弹簧组500。根据模拟的类型，具有11个板弹簧的弹簧组500所经受的应力具有在98.9和101.8之间的无单位的值。
最后，模拟了仅包括十个板弹簧的本发明的弹簧组。这导致具有无单位的值101.1的应力。因此，该弹簧组所经受的应力将过高，从而当用14个板弹簧替换先前的弹簧组1时，优选使用分别包括11个或12个板弹簧的本发明的弹簧组500、400。
本发明的振动焊接装置(未示出)的实施例包括至少一个本发明的弹簧组100、200、300、400、500。通过在振动焊接装置中使用本发明的弹簧组100、200、300、400、500，可利用振动焊接装置实现本发明的弹簧组100、200、300、400、500的上述优点。因此，为了避免重复，参考上述说明。
参考图16描述用于本发明的弹簧组100、200、300、400、500的本发明的制造方法的实施例。在第一步骤A中，提供材料块。在随后的步骤B中，加工材料块，特别是通过铣削。这样做以产生第一纵向杆110、210、310和第二纵向杆120以及多个板弹簧130、230、330，其中多个板弹簧130、230、330中的每一个包括与第一纵向杆110、210、310和/或第二纵向杆120相邻的包至少一个倒圆136、236、238、340的第一部分134、234、334，使得第一部分134、234、334形成为相对于弹簧中心线132、232、332凹入。第一部分134、234、334连续地过渡到相对于弹簧中心线132、232、332凸起形成的第二部分142、242、342中，并且第二部分142、242、342连续地过渡到邻近第一轴103、203、303布置的中心部分144、244、344中，使得相应板弹簧130、230、330的厚度在中心部分144、244、344中是最低的，特别是在第一轴103、203、303处。因此，可以通过本发明的制造工艺制造本发明的弹簧组100、200、300、400、500。因此，关于本发明的弹簧组100、200、300、400、500的优点和技术效果，参考以上说明。
最后，参考图17，示出了用于提供具有至少一个本发明的弹簧组100的振动焊接装置的本发明的改装方法的实施例。其中，在第一步骤I中提供至少一个本发明的弹簧组100、200、300、400、500。在步骤II中执行对振动焊接装置中存在的至少一个弹簧组的拆卸。最后，在步骤III中，将至少一个本发明的弹簧组100、200、300、400、500安装到振动焊接装置中。因此，通过这种改装方法，已经存在于例如顾客场所的振动焊接装置可有效地装备有本发明的弹簧组100、200、300、400、500，从而也可通过这种振动焊接装置实现上述优点和技术效果。
附图标记列表
1弹簧组 112线性部分 234第一部分
3第一轴 114待缩短/切割的部分 236第一部分234的第一倒圆
5第二轴 120第二纵向杆 238第一部分234的第二倒圆
10第一纵向杆 130板弹簧 242第二部分
20第二纵向杆 132中心线 244中心部分
30板弹簧 134第一部分 246第三部分
32中心线 136第一部分134的第一倒圆 248第三部分246的倒圆
34第一部分 142第二部分 250第四部分
36第一倒圆 144中心部分 300弹簧组
42第二部分 146第三部分 310第一纵向杆
44中心部分 148第三部分146的倒圆 312线性部分
46第三部分 150第四部分 340第一部分的可变倒圆
48第三部分46的倒圆 200弹簧组 342第二部分
100弹簧组 203第一轴 346第三部分
103第一轴 210第一纵向杆 350第四部分
105第二轴 230板弹簧 400弹簧组
110第一纵向杆 232中心线 500弹簧组

Claims (13)

1.一种用于振动焊接装置的弹簧组(100、200、300、400、500)，包括：
a.第一纵向杆(110、210、310)，用于固定连接到所述振动焊接装置的框架，
b.第二纵向杆(120)，其平行于所述第一纵向杆(110、210、310)并可相对于所述第一纵向杆(110、210、310)移动，以及用于与工具的连接，其中所述弹簧组(100、200、300、400、500)的第一轴(103、203)在所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)的中间且平行于所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)的纵向轴延伸，
c.多个板弹簧(130、230)，所述多个板弹簧(130、230)中的每一个通过第一端连接至所述第一纵向杆(110、210、310)且通过第二端连接至所述第二纵向杆(120)，其中所述弹簧组(100、200、300、400、500)的第二轴(105)垂直于所述第一轴(103、203)延伸，以及在所述弹簧组(100、200、300、400、500)的非作用状态下平行于所述多个板弹簧(130、230)，因此在所述弹簧组(100、200、300、400、500)的非作用状态下，弹簧中心线(132)在所述板弹簧(130、230)的中间平行于所述第二轴(105)延伸，以及
d.所述多个板弹簧(130、230)中的每一个包括与所述第一纵向杆(110、210、310)和/或所述第二纵向杆(120)相邻的包括至少一个倒圆(136、236、238、340)的第一部分(134、234)，使得所述第一部分(134、234)相对于所述弹簧中心线(132)凹入形成，其中
e.所述第一部分(134、234)连续过渡到第二部分(142、242、342)，所述第二部分(142、242、342)相对于所述弹簧中心线(132)凸起形成，且所述第二部分(142、242、342)连续过渡到与所述第一轴(103、203)相邻布置的中心部分(144、244)，使得相应的所述板弹簧(130、230)的厚度在所述中心部分(144、244)中最低。
2.根据权利要求1所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述第二部分(142、242、342)具有自然曲线的形状，特别是抛物线、指数函数、斐波纳契曲线、双曲线等。
3.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，布置在所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)的端部处的所述板弹簧(130)包括第一部分(134、234)，其相对于所述弹簧中心线(132)，与在所述弹簧组(100、200、300、400、500)的内侧上相比，在所述弹簧组(100、200、300、400、500)的外侧上较短。
4.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述中心部分(144、244)包括具有至少一个倒圆(148)的第三部分(146、246、346)，使得所述第三部分(146、246、346)相对于所述弹簧中心线(132)形成为凹入。
5.根据权利要求4所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述中心部分(144、244)包括在所述第三部分(146、246、346)和邻近的所述第二部分(142、242、342)之间的第四部分(150、250、350)，所述第四部分(150、250、350)相对于所述弹簧中心线(132)以线性逐渐减小的方式形成。
6.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述第一部分(234)包括至少两个不同的倒圆(236、238、340)，并且所述至少两个不同的倒圆(236、238)中的较小的倒圆(236)与所述第一纵向杆(210、310)和/或第二纵向杆相邻，而所述至少两个不同的倒圆(236、238、340)中的较大的倒圆(238)与所述第二部分(242、342)相邻。
7.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述第一部分具有可变倒圆(340)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，两个相邻的板弹簧(130、230)在所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)处彼此连接，使得所述第一板弹簧(130、230)的所述第一部分(134、234)的朝向所述相邻的第二板弹簧(130、230)的侧面直接且连续地过渡到所述相邻的第二板弹簧(130、230)的所述第一部分(134、234)朝向所述第一板弹簧(130、230)的侧面。
9.根据前述权利要求1至7中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，两个相邻的板弹簧(130、230)在所述第一纵向杆(110、210、310)和/或所述第二纵向杆(120)处以及在相应的所述第一部分(134、234)的彼此面对的侧面处由平行于所述第一轴(103、203)延伸的线性部分(112)分开。
10.根据前述权利要求中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，其中，所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)以及所述多个板弹簧(130、230)形成为一体件。
11.一种振动焊接装置，包括至少一个根据前述权利要求1至10中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)。
12.一种用于根据权利要求1至10中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)的制造方法，包括以下步骤：
a.提供材料快
b.加工材料块，特别是通过铣削，以形成所述第一纵向杆(110、210、310)和所述第二纵向杆(120)以及所述多个板弹簧(130、230)，其中所述多个板弹簧(130)中的每一个包括与所述第一纵向杆(110、210、310)和/或所述第二纵向杆(120)相邻的包至少一个倒圆(236、238、340)的第一部分(134、234)，使得所述第一部分(134、234)相对于所述弹簧中心线(132)形成为凹入，其中所述第一部分(134、234)连续地过渡到相对于所述弹簧中心线(132)凸起形成的所述第二部分(142、242)，并且所述第二部分(142、242)连续地过渡到邻近所述第一轴(103、203)布置的所述中心部分(144、244)，使得相应的所述板弹簧(130、230)的厚度在所述中心部分(144、244)中是最低的，特别是在所述第一轴(103、203)处。
13.一种用于提供具有至少一个根据权利要求1至10中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)的振动焊接装置的改装方法，包括以下步骤：
a.提供至少一个根据权利要求1至10中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)，
b.拆卸在所述振动焊接装置中存在的所述至少一个弹簧组，以及
c.将所述至少一个根据权利要求1至10中的一项所述的弹簧组(100、200、300、400、500)安装至所述振动焊接装置。
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