CN215950215U - 一种渐开线螺旋臂板弹簧 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及斯特林发动机部件加工领域，具体涉及一种渐开线螺旋臂板弹簧，包括圆形板弹簧本体，本体上设有至少三条均布的螺旋槽、若干个安装孔、一个中心孔，任意一条螺旋槽从起始端至末端分为圆形槽的起始段、渐开线型槽的中段和宽度逐渐增加的放射状条形槽的末段；所述的本体外圆的圆周上均匀分布有若干个工艺槽。本实用新型的技术方案通过平滑过渡的螺旋槽使应力分布更加均匀；通过调整螺旋臂宽度减小板弹簧本体的应力集中，增强了板弹簧的强度；通过螺旋槽起始端与末端封闭圆的合理且平缓的过渡线型，降低了板簧各点径向应力；通过设置工艺槽消除了环境温度变化引起的热应力，提高了板弹簧的使用寿命。

Description

一种渐开线螺旋臂板弹簧

技术领域

本实用新型涉及斯特林发动机部件加工领域，具体涉及一种渐开线螺旋臂板弹簧。

背景技术

板弹簧是截面为圆形且中心开孔的片状弹簧钢，在构造出一定的螺旋槽后，使用激光切割、线切割、化学蚀刻或冲压技术加工成型，加上合适的热处理工艺制造成的机械零件。板弹簧上可振动的弹性螺旋臂用于支撑斯特林机中的配气活塞与主活塞及活塞换向，保持活塞运动过程中能量转换，同时保持活塞与气缸的间隙密封，还可以调节配气活塞与主活塞的相位差。

在斯特林机的工作生命周期内，气缸内的活塞会做近百亿次的往复运动，而作为活塞的驱动，板弹簧也需相应的近百亿次的往复运动，这就给弹簧的强度、刚度、弹性、稳定性和工作寿命等提出了较高的要求。

板弹簧有四个主要技术指标：疲劳强度、轴向刚度、径向刚度、自振频率。由于弹簧往复运动近百亿次，这要求板弹簧在工作时各处应力应均匀并处于最小状态，使最大应力远小于材料的疲劳极限；在斯特林机中，活塞的运动状态是往复直线运动，作为振子系统的弹性部件，要求板弹簧要有足够的轴向刚度和一定的行程，其对整个斯特林机能耗和运行稳定性有很重要的作用；斯特林机中板弹簧直接与配气活塞相连，较大的径向刚度能够保证活塞运动不受侧向力影响而偏离平衡位置，保证气缸和活塞的间隙密封，减少磨损，提高斯特林机的整体可靠性；板弹簧随斯特林机活塞轴作高速往复运动，为了使斯特林机有较低的能耗及较高效率，板弹簧必须设计合适的自振频率。

现有技术中的板弹簧通常包括直线臂板弹簧、涡旋臂板弹簧和渐开线螺旋臂板弹簧。前两种板弹簧通常存在等效质量过大的缺点，为满足直线电机所需要的高刚度以及高固有频率的要求，往往需要增加零件的质量，因此，这两种板弹簧由于其自身的结构限制，难以满足低等效质量、高刚度以及高固有频率的要求；现有技术中的渐开线螺旋臂板弹簧在悬臂根部和头部设计加工中很容易形成应力集中，另外，在环境温度变化时由热膨胀产生的热应力作用在弹簧的外缘，由于板弹簧在复杂的外应力状态下高频工作，而热应力又无法及时释放，此时的板弹簧极其容易发生断裂。

发明内容

本公开的一方面解决的一个技术问题是提供一种渐开线螺旋臂板弹簧以解决现有技术中的不足。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:

一种渐开线螺旋臂板弹簧，包括圆形板弹簧本体，本体上设有至少三条均布的螺旋槽、若干个安装孔、一个中心孔，相邻两个螺旋槽之间构成一个螺旋臂，螺旋槽线型由渐开线方程生成，其技术特征在于，

所述的任意一条螺旋槽是以靠近本体的中心孔一侧为起始端按渐开线轨迹延展至靠近本体的外圆一侧为末端，任意一条螺旋槽从起始端至末端分为圆形槽的起始段、渐开线型槽的中段和宽度逐渐增加的放射状条形槽的末段，起始段与中段之间、中段与末段之间均为圆滑过渡连接，末段的末端为圆弧；

所述的螺旋臂从本体中心至本体外圆平滑过渡；

所述的本体外圆的圆周上均匀分布有若干个工艺槽。

在其中一个实施例中，所述的工艺槽沿径向开口，工艺槽圆弧原点的分度圆直径小于安装孔分度圆直径，工艺槽使板弹簧在环境温度变化时由热膨胀产生的热应力及时释放，安装孔的固定约束力始终处于不变状态，高频运动的板弹簧在无外加应力和稳定的约束力下工作，提高板弹簧的使用寿命。

在其中一个实施例中，所述的渐开线旋转角度为120°～540°，使螺旋臂的长度需足够长，以保证板弹簧中心的轴向位移量。

在其中一个实施例中，所述的安装孔设有十二个，十二个安装孔均布在本体外圆内侧的周线上。

本申请与现有技术相比较，其优点在于，本实用新型的技术方案通过平滑过渡的螺旋槽使应力分布更加均匀；通过调整螺旋臂宽度减小板弹簧本体的应力集中，增强了板弹簧的强度；通过螺旋槽起始端与末端封闭圆的合理且平缓的过渡线型，降低了板簧各点径向应力；通过设置工艺槽消除了环境温度变化引起的热应力，提高了板弹簧的使用寿命。

附图说明

图1是根据本公开的一个方面的整体结构示意图；

图2是根据本公开的一个方面的单条螺旋槽结构示意图。

图中，1-安装孔、2-螺旋臂、3-螺旋槽、4-中心孔、5-工艺槽、6-起始端、7-中段、8-末端。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

板弹簧是截面为圆形且中心开孔的片状弹簧钢，在构造出一定的螺旋槽后，使用激光切割、线切割、化学蚀刻或冲压技术加工成型，加上合适的热处理工艺制造成的机械零件。其厚度一般为0.5mm～6mm，其材料一般为50CrVA或65Mn。

请参阅图1，本申请的一种实施例提供一种渐开线螺旋臂板弹簧，包括圆形板弹簧本体，在本实施例中，本体上设有三条均布的螺旋槽3，相邻两个螺旋槽3之间构成一个螺旋臂2，螺旋槽3线型由渐开线方程生成，任意一条螺旋槽3是以靠近本体的中心孔4一侧为起始端按渐开线轨迹延展至靠近本体的外圆一侧为末端，任意一条螺旋臂2的宽度从本体外圆至本体中心由宽变窄平滑过渡，用于防止非平滑过渡引起的应力突变，提高板弹簧的使用寿命。渐开线旋转角度为120°～540°，使螺旋臂的长度需足够长，以保证板弹簧中心的轴向位移量。

请参阅图2，在本实施例中，所述的任意一条螺旋槽3从起始端至末端分为圆形槽的起始段6、渐开线型槽的中段7和宽度逐渐增加的放射状条形槽的末段8，起始段6与中段7之间、中段7与末段8之间均为圆滑过渡连接，末段8的末端为圆弧，其中，中段7的线型方程式为：

s＝2*pi*r*t，x0＝s*cosθ+a，y0＝s*sinθ+b，x＝x0+s*sinθ，y＝y0-s*cosθ，其中r为基圆半径，θ为展角，a、b为常数，不同的板弹簧采用不同的r、θ、a、b值，通过改变线型参数r、θ可以得到不同形状的螺旋渐开线，通过改变常数a、b可以控制渐开线的起始位置与终止。

在本实施例中，安装孔1设有十二个，十二个安装孔1均布在本体外圆内侧的周线上，一个中心孔4。

在本实施例中，本体外圆的圆周上均匀分布有三个工艺槽5,工艺槽5沿径向开口，工艺槽5圆弧原点的分度圆直径小于安装孔分度圆直径，工艺槽5使板弹簧在环境温度变化时由热膨胀产生的热应力及时释放，安装孔1的固定约束力始终处于不变状态，高频运动的板弹簧在无外加应力和稳定的约束力下工作，提高板弹簧的使用寿命。

本实施例中，平滑过渡的螺旋槽3使应力分布均匀，通过调整螺旋臂2宽度减小板弹簧本体的应力集中，增强了板弹簧的强度，通过工艺槽5，消除了环境温度变化引起的热应力，板弹簧在无复杂应力下高频工作，减少了板弹簧运行中的能耗，提高了板弹簧的使用寿命，使板弹簧更加适应斯特林机的要求。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种渐开线螺旋臂板弹簧，包括圆形板弹簧本体，本体上设有至少三条均布的螺旋槽、若干个安装孔、一个中心孔，相邻两个螺旋槽之间构成一个螺旋臂，螺旋槽线型由渐开线方程生成，其特征在于：

所述的任意一条螺旋槽是以靠近本体的中心孔一侧为起始端按渐开线轨迹延展至靠近本体的外圆一侧为末端，任意一条螺旋槽从起始端至末端分为圆形槽的起始段、渐开线型槽的中段和宽度逐渐增加的放射状条形槽的末段，起始段与中段之间、中段与末段之间均为圆滑过渡连接，末段的末端为圆弧；

所述的螺旋臂从本体中心至本体外圆平滑过渡；

所述的本体外圆的圆周上均匀分布有若干个工艺槽。

2.根据权利要求1所述的渐开线螺旋臂板弹簧，其特征在于：所述的工艺槽沿径向开口。

3.根据权利要求1或2所述的渐开线螺旋臂板弹簧，其特征在于：所述的工艺槽圆弧原点的分度圆直径小于安装孔分度圆直径。

4.根据权利要求1所述的渐开线螺旋臂板弹簧，其特征在于：所述的渐开线旋转角度为120°～540°。

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