柔性弹簧制造技术

本发明专利技术公开了一种柔性弹簧，包括外环垫片、内环垫片，弹簧中心有活塞轴用通孔，弹簧外圈有多个安装孔，该柔性弹簧以费马曲线方程来确定弹簧涡旋槽型线，型线共有三条，三条型线呈１２０°角均匀分布，通过改变涡旋槽型线起始发生角α和涡旋槽型线略角θ，可以控制涡旋槽内侧曲线和外侧曲线的起始位置和终了位置，通过改变涡旋槽型线起点半径Ａ和涡旋系数Ｂ，可以得到不同几何形状的涡旋槽内侧曲线和外侧曲线，内外侧曲线光滑过渡封闭。使用本发明专利技术柔性弹簧，应力分布均匀，局部应力、形变小；该柔性弹簧有合适的轴向刚度和较大的径向刚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种弹簧，特别是涉及一种柔性弹簧，用于斯特林制冷机和自由活塞 斯特林发动机。
技术介绍
柔性弹簧也叫板弹簧，是一种在弹性片状材料上采用机械切割或化学冲裁等方法 按照规定的型线构造出涡旋槽，形成涡旋臂，从而使该片状材料具有一定刚度的零件，一般 应用于往复运动的机械中。这里特指的是一种用于直线电机驱动的低温制冷机的新型线型的柔性弹簧，它能 支撑压缩活塞和膨胀活塞，并通过调节活塞振子的固有频率，调节压缩活塞与膨胀活塞的 相位差，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和一定 的行程，是保证斯特林低温制冷机间隙密封、减少磨损、提高整体可靠性及低温制冷机寿命 的关键部件。在直线压缩机中，直线电机带动活塞在气缸中往复运动，柔性弹簧起着支撑活塞 组件，为活塞组件的往复运动提供轴向刚度，同时防止活塞发生径向偏移而与气缸发生摩 擦。作为低温制冷机的动子支撑机构，柔性弹簧的寿命直接决定了制冷机的寿命，由于柔性 弹簧在工作中的往复运动超过40亿次，所以有必要对其基本参数进行研究改进，提高柔性 弹簧使用寿命。又因为在低温制冷机中要求活塞在气缸内直线往复运动，且必须保证其运 动精度，减小气缸内的摩擦和振动。由于电机充磁不均、结构不对称等原因，活塞常会受到 侧向力作用，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。因此需要柔性弹簧在往复运时需要保持适当的轴向刚度和 较大的径向刚度，以保证活塞往复运动的稳定性，并保证活塞不偏离平衡位置。
技术实现思路
为克服上述已有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于斯特林制 冷机和自由活塞斯特林发动机的柔性弹簧。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是一种柔性弹簧，包括外环垫片、内环垫片，弹簧中心有活塞轴用通孔，弹簧外圈有 多个安装孔，该柔性弹簧以费马曲线方程来确定弹簧涡旋槽型线，型线共有三条，三条型线 呈120°角均勻分布，通过改变涡旋槽型线起始发生角a和涡旋槽型线略角9，可以控制 涡旋槽内侧曲线和外侧曲线的起始位置和终了位置，通过改变涡旋槽型线起点半径A和涡 旋系数B，可以得到不同几何形状的涡旋槽内侧曲线和外侧曲线，内外侧曲线光滑过渡封 闭。所述柔性弹簧的涡旋槽型线略角为90° 450°。所述柔性弹簧的涡旋槽型线起始发生角为0° 30°。所述柔性弹簧的涡旋槽型线涡旋系数为0. 01 0. 50。所述柔性弹簧的涡旋槽型线起始半径为1mm 20mm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果可以是1、使用该型线的柔性弹簧应力分布均勻，局部应力、形变小；2、使用该型线的柔性 弹簧有合适的轴向刚度和较大的径向刚度。附图说明图1是本专利技术弹簧的涡旋槽内外型线封闭方式示意图。图2是本专利技术弹簧采用螺钉固定的示意图。图3是本专利技术弹簧的采用螺母固定的示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以 此限制本专利技术的保护范围。柔性弹簧是一种在弹性片状材料上按照特定型线加工出的具有一定刚度的零件， 厚度一般为0. 2mm 3mm，其制作材料一般为不锈钢弹簧片(lCrl8Ni9Ti)、铍青铜。柔性弹簧的型线形态该专利技术以费马曲线方程为基本算法来确定柔性弹簧上的弹 簧涡旋槽型线，型线共有三条，三条型线承120°角均勻分布，以下为该型线的数学表达式。方程中符号定义A 涡旋槽型线起点半径(mm) ；B :曲线的涡旋系数；6 :涡旋槽型线略角变量(° ) 涡旋槽型线起始发生角(° )；在X-Y平面上，涡旋槽内、外侧上任意一点的坐标为 其中，下标为i表示为涡旋槽内侧曲线上的参数，下标为o表示为涡旋槽外侧曲 线上的参数。通过改变曲线起点半径A和涡旋系数B，可以得到不同几何形状的涡旋曲线。 通过改变曲线起始发生角a和曲线略角e，可以控制曲线的起始位置和终了位置，满足不 同内、外径尺寸柔性弹簧对涡旋槽型线的要求。形成弹簧的涡旋槽后，以涡旋槽内外侧曲 线起始点中心为圆心，作半圆弧封闭涡旋槽内端曲线；在涡旋槽终了端，采用如图1所示方 法，以外侧曲线延长线§0与内侧曲线终点A处法线@的交点0为圆心，&长为半径做圆弧八^，再以&与外侧曲线终点B处法线％的交点为圆心，_长为半径做圆弧匸^，封闭涡旋槽外端曲线；内外侧曲线光滑过渡封闭，以防止由于非平滑过度引起的应力集中，提高 弹簧的使用寿命。柔性弹簧的工作方式多片柔性弹簧组成一组装配件被安装在弹簧支架中，一个 弹簧组件由多片弹簧组成，弹簧和弹簧之间用垫片隔开，再采用一定的装配方式将弹簧和 弹簧基座以及轴进行连接。柔性弹簧组件的安装方式分为单边布置和双边布置两种单边 布置方式是将弹簧组件布置在直线电机的一侧，这种布置中轴和弹簧组件类似于一个悬臂 结构；双边布置方式是在直线电机的两侧都安装弹簧组件，电机悬挂于两端支持的轴之间。 其中，柔性弹簧的内孔与活塞杆连接，柔性弹簧外圆与弹簧支架连接，直线电机运动时，带 动轴一起运动，柔性弹簧沿轴向往复运动，实现弹簧功能。又由于弹簧型线对称分布，且有 较大的径向刚度，起到了限位作用，保证活塞轴在径向的稳定，从而避免活塞与气缸产生直 接摩擦，保证了轴端活塞与气缸之间的间隙密封。下面利用不锈钢弹簧薄片作为材料，结合附图对本专利技术的具体实施方式作细说 明选择厚度为0. 29mm的弹簧不锈钢材料(lCrl8Ni9Ti)，对其进行热平压处理。根据 实际需要选择涡旋槽内外型线起始发生角度 和\，其取值范围一般为0° 30°，带入 方程分别得到涡旋槽内外型线曲线方程；以略角e为变量，对型线方程进行计算，略角变 量的增量在加工许可范围内选定，应考虑到型线平滑过渡和加工工艺水平。采用切割机把 该材料切割成外径59mm、内径4mm的金属薄片；根据使用需要确定外垫片2的位置，在外垫 片和柔性弹簧的相应位置切割出安装孔4，孔径2mm(视装配要求确定内环垫片3的位置， 在外垫片和柔性弹簧的相应位置切割出安装孔4，孔径2mm)；以金属薄片的圆心为坐标原 点，利用切割机按曲线方程对板材进行加工，得到涡旋槽5，以圆心为中心旋转120°，按曲 线方程进行切割，再旋转120°，同上切割(切割方法可以是线切割、激光切割、水刀切割和 化学蚀刻等)；完成后清除切割处残留物，以丙酮和酒精清洗，放于60°C烘箱干燥，检验合 格后方可进行装配。弹簧组件可按图2所示方法连接，每片柔性弹簧1之间用外环垫片2和内环垫片 3隔开，活塞轴穿过弹簧内孔和内环垫片3 ；外环垫片2与柔性弹簧间在安装孔4处用螺钉 6连接，并紧固在弹簧支架上；内环垫片3与柔性弹簧间在安装孔4处用螺钉6连接紧固， 两侧的内环垫片3压紧在活塞轴肩上，实现弹簧组件与轴的同步运动。弹簧组件也可按图3所示方法连接，每片柔性弹簧1之间用外环垫片2和内环垫 片7隔开，活塞轴穿过弹簧内孔和内环垫片7 ；外环垫片2与柔性弹簧间在安装孔4处用螺 钉6连接，并紧固在弹簧支架上；活塞轴上有螺纹，内环垫片7通过螺母8锁紧并固定在轴 上，实现弹簧组件与轴的同步运动。本专利技术研制了一种具有较大径向刚度和一定轴向刚度的新型长寿命柔性弹簧，以 提高直线压缩机的使用寿命与可靠性。本专利技术通过新型线的设计，利用弹簧中心往四周径 向辐射的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性弹簧，包括外环垫片、内环垫片，弹簧中心有活塞轴用通孔，弹簧外圈有多个安装孔，　　其特征在于该柔性弹簧以费马曲线方程来确定弹簧涡旋槽型线，型线共有三条，三条型线呈１２０°角均匀分布，　　通过改变涡旋槽型线起始发生角α和涡旋槽型线略角θ，可以控制涡旋槽内侧曲线和外侧曲线的起始位置和终了位置，通过改变涡旋槽型线起点半径Ａ和涡旋系数Ｂ，可以得到不同几何形状的涡旋槽内侧曲线和外侧曲线，内外侧曲线光滑过渡封闭。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，刘颖，武卫东，张华，吴亦农，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]