CN1751822A - 圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于直线压缩机中的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制备方法，利用基本的圆渐开线方程，通过调整基圆半径、渐开线节距、渐开线发生角、涡旋体槽宽、涡旋体圈数、渐开线的渐开角以及涡旋槽在空间的分布，来实现柔性弹簧型线的设计，利用本方法可以根据不同的实际性能要求设计出不同型线的柔性弹簧。以及对涡旋槽的首尾进行光滑封闭，开设内外联接孔，由内联接孔与运动轴相连，提供回复力，由外联接孔将弹簧固定于基座上。本发明的弹簧型线表达及设计简单，几何表达准确，便于机械加工；弹簧型线间过渡平滑，应力分布均匀，有较高的可靠性。

Description

圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法

技术领域：

本发明涉及一种柔性弹簧的制造方法，具体地说是一种用于斯特林制冷机、脉冲管制冷机及小型直线型压缩机中的弹簧制造方法。

背景技术：

现代整体式、分置式斯特林制冷机几乎均采用了直线电机驱动、间隙密封、板弹簧支撑的技术方案。板弹簧是斯特林制冷机的关键零件，用于支撑制冷机运动活塞与推移活塞，保持运动过程活塞与气缸的密封间隙，为活塞的往复振动提供足够的刚度并且要有一定的行程。因此板弹簧在斯持林制冷机的间隙密封、减少磨损、提高整体可靠性和工作寿命方面有着至关重要的作用。对柔性弹簧而言，以下四个指标全面的反映了其不同方面的性能。

1.疲劳强度

在机械设备中，组成机械的零件在工作进所产生的应力大致有两种类型：静应力与变应力。零件或材料在承受这两种不同的应力时，它们所显示出来的机械性能完全不一样。受静应力的零件或材料的破坏是塑性变形或脆性断裂，因此，它们的强度是以材料的弹性极限或屈服极限和强度极限来衡量的。而受变应力的零件或材料的破坏则是疲劳断裂，因此它们的强度是以疲劳强度来衡量的。疲劳强度低于弹性极限或屈服极限等静应力强度。

由于工作需要，弹簧的循环次数超过20亿次，所以需要对弹簧的线型、工艺孔、厚度等基本参数进行分析研究，使弹簧在工作中，各处的应力趋于一致，消除应力集中，最大应力远小于材料的疲劳极限.

2.径向刚度

在制冷机及压缩机中弹簧直接与活塞相连，弹簧支撑着活塞及电机动子组件。由于电机的充磁不均、结构的不对称等原因，活塞常会受到侧向力的作用，而这种侧向力会破坏气缸与活塞之间的间隙密封，严重的情况下还会造成活塞与气缸直接摩擦的不良后果。因此，对弹簧而言，其径向刚度应该尽量的大，保证活塞的运动不偏离平衡位置。

3.轴向刚度

由于不论是直线压缩机还是膨胀机，其运动状态均为直线的往复振动，做为振子系统的弹性部件，弹簧的径向刚度和振子的质量决定了整个振动系统的共振频率。对于制冷机而言，当工作于振子共振频率附近时，制冷机会有较高的效率，而当制冷机发生共振时，会引起较大的噪音，甚至造成制冷机的损坏。因此弹簧的轴向刚度对整个制冷机的能耗和运行的稳定性有十分重要的作用。

4.柔性弹簧组件的自振频率

柔性弹簧随主轴作高速往复运动，其运动频率受制于弹簧片固有频率。为避免弹簧片板条发生共振而折断，则必须使运行频率避开弹簧的固有频率。

柔性弹簧的性能与其几何结构密切相关，其结构参数中可以调整的参数有：弹簧厚度、型线方式、内外螺孔的开口位置及大小及弹簧外径。其中，螺孔的位置和外径受外界接口尺寸的限制，调整的余地不大。在型线不变的前提下弹簧厚度对性能指标的影响可以概括为，厚度加大，轴向和径向刚度增大，可提供的行程减小，因此，当弹簧外径和接口尺寸受限，同时制冷机需要提供较大的径、轴向刚度和大的活塞行程时，单一的改变弹簧的厚度就不能满足性能的需求，从而改变型线成为一种有效的方法。

C.C.Lee[Flexure Bearing Analysis Procedure and Design Charts，Cryocooler 9]提出了利用二项式(四阶)来生成柔性弹簧的型线，通过改变二项式的系数从而得到不同的涡旋线。美国专利号：5494313，发明名称为：Tangential Linear Flexure Bearing，提出了一种运用于往复式运动机械的长寿命切线柔性弹簧(如图1)，弹簧利用其柔性臂的变形提供一定的刚度。

运用以上两种方法虽然均可以生产出柔性弹簧，但是，运用二项式的方法生成的弹簧型线没有明显的几何学特点，型线之间的关系不能用明确的几何表达式表达，而只能用近似的多项式表示，从而由于设计的不对称引起实际柔性弹簧的几何不对称，引起应力分布的不对称，影响弹簧的性能。对于切线柔性弹簧而言，虽然可以保证几何的对称，但是从其几何型线中可以看出，在其设计中柔性臂与固定环之间为非平滑过渡，也就是说截面积有突变，由材料力学可知，对于受弯梁，截面积变化的不连续会引起应力集中，而对于承受交变应力的柔性弹簧而言，这种应力集中往往会引起疲劳断裂。

发明内容：

为了满足不同直线压缩机的制冷机的运行需要，本发明的目的在于，提供出一种以圆渐开线为基础型线的涡旋柔性弹簧型线的生产方法。

特别根据斯特林制冷机、脉冲管制冷机及小型直线压缩机的需要，提供一种利用渐开线来得到涡旋型线柔性弹簧的设计方法，利用两组圆渐开线方程形成一涡旋槽，渐开线间采用曲线平滑过渡。通过将涡旋槽按一定的规律进行空间组合从而设计出柔性弹簧。

根据本发明圆渐开线柔性弹簧的制造方法，包括构造涡旋槽型线、涡旋槽首尾封闭、涡旋槽空间分布和联接孔加工四个基本步骤。

1.构造涡旋槽型线

整个柔性弹簧包括若干条涡旋槽，首先通过两条渐开线在空间上构成一条涡旋槽。圆的渐开线方程几何表达简单，而且在机械加工中已有成熟的加工方法。

涡旋槽型线的基本参数如下：

基圆半径a

渐开线节距P＝2πa

渐开线发生角α

涡旋槽槽宽t＝a α

涡旋线圈数n

渐开线渐开角φ＝2πn+π/2

涡旋槽中心上任一点的坐标为：

x＝a(cosφ+φsinφ)

y＝a(sinφ-φcosφ)

涡旋槽内外侧上任一点的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=a[\cos \left({\mathrm{\φ}}_i\right)+{\mathrm{\φ}}_i\sin \left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\\ y_i=a[\sin \left({\mathrm{\φ}}_i\right)-{\mathrm{\φ}}_i\cos \left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\\ x_o=a[\cos ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})+{\mathrm{\φ}}_o\sin ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})]\\ x_o=a[\sin ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})-{\mathrm{\φ}}_o\cos ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})]\end{array}\right.$

上式中，下角标i表示涡旋槽内侧曲线上的参数，o表示涡旋槽外侧曲线上的参数。通过改变基圆半径、渐开线发生角、涡旋槽槽宽等表中所示参数，可以得到不同几何形状的涡旋线。

2.涡旋槽的首尾光滑封闭

形成弹簧的涡旋槽后，由于弹簧的尺寸有限，所以涡旋槽只能取一定的长度，必需将槽光滑地封闭，这样才能防止由于非平滑过渡引起的应力集中。

封闭曲线为涡旋槽的外切圆弧，其圆心方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a(\cos ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})+{\mathrm{\φ}}^{\′}\sin ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2}))\\ y_0=a(\sin ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})-{\mathrm{\φ}}^{\′}\cos ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2}))\end{array}\right.$

当涡旋槽的首尾渐开角度已知时，设其分别为φ₁′、φ₂′，则可得到相应的圆弧中心坐标为(x1，y1)、(x2，y2)，而涡旋槽的半径为a α/2，所以以上述圆心为中点做圆弧与涡旋槽相切，能实施光滑地封闭涡旋槽。

3.涡旋槽空间分布

将由上述方法构造出的涡旋槽型线按一定的规律在空间进行排列。根据要求可以由二、三、四条或多条涡旋槽组成一个柔性弹簧。根据涡旋槽空间分布规律的不同，可以分为同心型和偏心型两种。同心型的各条涡旋槽中心重合于一点，而偏心型的各条涡旋槽中心按一定的角度均匀分布于圆周上。对于同样的半径要求，涡旋槽越多，轴向刚度越小；同样的涡旋槽数，偏心型的弹簧轴向刚度较小。

4.联接孔的设计

内外联接孔用于将柔性弹簧一端固定于机座上，另一端与运动轴相连，即内联接孔与运动轴相连，为运动提供回复力，外联接孔用于将弹簧固定于机座上。作内联接孔时，根据设计要求，以坐标原点为中心做圆，分别与涡旋槽相交，在交点处以槽宽为直径做圆与内外型线相切，使槽的末端光滑。圆中心留出一定的面积，根据接口尺寸开孔。同样，在槽的外周也可根据实际尺寸的大小开孔。弹簧的厚度根据实际的需要可以设不同的值。

附图说明：

图1是已有技术中的切线柔性弹簧的截面视图；

图2是本发明的柔性弹簧三维示意图；

图3是本发明的柔性弹簧的涡旋槽型线示意图；

图4是本发明的柔性弹簧同心型涡旋槽分布示意图；

图5是本发明的柔性弹簧偏心型涡旋槽分布示意图；以及

图6是本发明的柔性弹簧的平面示意图。

具体实施方式：

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合具体的实施例作进一步描述。

本发明首先根据圆渐开线方程生成涡旋弹簧的涡线且切成涡旋槽，再采用外切圆将涡旋槽光滑封闭，形成完整的单一涡线，然后将单一的涡线按不同的空间分布，形成二、三或四条涡线的柔性弹簧，之后将得到的弹簧型线方程在计算机辅助制图中绘制出，然后输入到电火花切割机的控制计算机中，就可以按照方程所示型线在金属薄板上切出涡旋槽。

按此方法可以得到如图2所示的柔性弹簧。取公共外形设计参数为：外径φ57、中间孔φ4、厚度0.29mm，涡旋槽型见表1。材料为不锈钢。此弹簧已成功的用于斯特林制冷机。

此外，再将实施本发明方法所制成的一些系列柔性弹簧概括成表1，并给出具体实施步骤：

表1：柔性弹簧型线设计参数与性能

具体实施步骤

1.构造涡旋槽型线

首先根据实际需要弹簧直径及性能的不同，确定基圆半径a、渐开线发生角α、涡旋线圈数N三个基本的几何参数，利用几何作图工具制得相应的涡旋槽型线。其它的几何参数均可由上述三个参数得出。如渐开线节距P＝2πa，涡旋槽槽宽t＝a α。

2.涡旋槽的首尾封闭

对于生成的涡旋槽型线，根据弹簧的直径，将槽光滑的封闭。设φ₁′为涡旋槽封闭处的渐开角，由方程组 $\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a(\cos ({\mathrm{\φ}}_1^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})+{\mathrm{\φ}}^{\′}\sin ({\mathrm{\φ}}_1^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2}))\\ y_0=a(\sin ({\mathrm{\φ}}_1^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})-{\mathrm{\φ}}^{\′}\cos ({\mathrm{\φ}}_1^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2}))\end{array}\right.$ 得到对应的圆弧中心坐标为(x1，y1)，而此处涡旋槽的半径为a α/2，以上述圆心(x1，y1)为中点做圆弧(半径为a α/2)与涡旋槽相切，即得到光滑的封闭涡旋槽。涡旋槽的首尾端均采用此方法封闭。

3.涡旋槽空间分布

将由上述步骤构造出的涡旋槽型线按一定的规律在空间进行排列，构造了一系列三涡旋槽同心型柔性弹簧。首先在几何制图工具上复制同样的三条由上步生成的涡旋槽，然后分别将其中的二条在空间旋转120度和240度，将旋转后的各条涡旋槽中心重合于一点，便得到了同心型分布的三涡旋槽柔性弹簧。

4.联接孔的设计

根据机座的联接孔尺寸，槽的外周均布圆孔。中心留出一定的面积，根据接口尺寸开孔与轴相连。弹簧的厚度根据实际的需要可以设不同的值。

Claims (7)

1、一种圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其步骤包括：

S1.首先根据圆渐开线方程生成涡旋弹簧的涡线并切割成涡旋槽；

S2.再采用外切圆方法将涡旋槽首尾光滑封闭，形成完整的单一涡线；

S3.然后将单一的涡线按要求进行不同的空间分布，形成至少有二条涡线的柔性弹簧，以及；

S4.最后，开内外联接孔，内联接孔与运动轴连接，提供运动回复，外联接孔将弹簧固定在机座上。

2、根据权利要求1所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，步骤S1中所述的圆渐开线方程为：

x＝a(cosφ+φsinφ)

y＝a(sinφ-φcosφ)

其中a为基圆半径，φ为渐开线的渐开角φ＝2πn+π/2，

n为涡旋圈数。

3、根据权利要求1所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，涡旋槽槽宽t＝aα，α为渐开角线发生角；渐开线节距P＝2πa。

4、根据权利要求1或2所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，涡旋槽内外侧上任一点的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=a[\cos \left({\mathrm{\φ}}_i\right)+{\mathrm{\φ}}_i\sin \left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\\ y_i=a[\sin \left({\mathrm{\φ}}_i\right)-{\mathrm{\φ}}_i\cos \left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\\ x_o=a[\cos ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})+{\mathrm{\φ}}_o\sin ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})]\\ x_o=a[\sin ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})-{\mathrm{\φ}}_o\cos ({\mathrm{\φ}}_o-\mathrm{\α})]\end{array}\right.$

上式中，下角标i表示涡旋槽内侧曲线上的参数，o表示涡旋槽外侧曲线上的参数。

5、根据权利要求1或2所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中用外切圆方式封闭涡旋槽的首尾是指封闭曲线为涡旋槽的外切圆弧，

其圆心方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_o=a(\cos ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})+{\mathrm{\φ}}^{\′}\sin ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})\\ x_o=a(\sin ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})-{\mathrm{\φ}}^{\′}\cos ({\mathrm{\φ}}^{\′}-\frac{\mathrm{\α}}{2})\end{array}\right.$

当涡旋槽的首尾渐开角度已知时，设其分别为φ₁′、φ₂′，则可得到相应的圆弧中心坐标为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，而涡旋槽的半径为aα/2，所以以上述圆心为中点做圆弧与涡旋槽相切，光滑封闭涡旋槽。

6、根据权利要求1所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，所述的步骤S3中涡旋槽的空间分布包括同心型和偏心型两种，同心型的各条涡旋槽中心重合于一点，而偏心型的各条涡旋涡中心按一定的角度均匀分布于圆周上。

7、根据权利要求1所述的圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法，其特征在于，步骤S4中，作内联接孔时，以坐标原点为中心做圆，分别与涡旋槽相交，在交点处以槽宽为直径做圆与内外型线相切，使槽的末端光滑，且圆中心留出一定空间根据接口尺寸开孔。

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