專利名稱：柔性彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈簧，特別是涉及一種柔性彈簧，用于斯特林制冷機(jī)和自由活塞 斯特林發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
柔性彈簧也叫板彈簧，是一種在彈性片狀材料上采用機(jī)械切割或化學(xué)沖裁等方法 按照規(guī)定的型線構(gòu)造出渦旋槽，形成渦旋臂，從而使該片狀材料具有一定剛度的零件，一般 應(yīng)用于往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械中。這里特指的是一種用于直線電機(jī)驅(qū)動的低溫制冷機(jī)的新型線型的柔性彈簧，它能 支撐壓縮活塞和膨脹活塞，并通過調(diào)節(jié)活塞振子的固有頻率，調(diào)節(jié)壓縮活塞與膨脹活塞的 相位差，保持運(yùn)動過程活塞與氣缸的密封間隙，為活塞的往復(fù)振動提供足夠的剛度和一定 的行程，是保證斯特林低溫制冷機(jī)間隙密封、減少磨損、提高整體可靠性及低溫制冷機(jī)壽命 的關(guān)鍵部件。在直線壓縮機(jī)中，直線電機(jī)帶動活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動，柔性彈簧起著支撐活塞 組件，為活塞組件的往復(fù)運(yùn)動提供軸向剛度，同時防止活塞發(fā)生徑向偏移而與氣缸發(fā)生摩 擦。作為低溫制冷機(jī)的動子支撐機(jī)構(gòu)，柔性彈簧的壽命直接決定了制冷機(jī)的壽命，由于柔性 彈簧在工作中的往復(fù)運(yùn)動超過40億次，所以有必要對其基本參數(shù)進(jìn)行研究改進(jìn)，提高柔性 彈簧使用壽命。又因?yàn)樵诘蜏刂评錂C(jī)中要求活塞在氣缸內(nèi)直線往復(fù)運(yùn)動，且必須保證其運(yùn) 動精度，減小氣缸內(nèi)的摩擦和振動。由于電機(jī)充磁不均、結(jié)構(gòu)不對稱等原因，活塞常會受到 側(cè)向力作用，而這種側(cè)向力會破壞氣缸與活塞之間的間隙密封，嚴(yán)重的情況下還會造成活 塞與氣缸直接摩擦的不良后果。因此需要柔性彈簧在往復(fù)運(yùn)時需要保持適當(dāng)?shù)妮S向剛度和 較大的徑向剛度，以保證活塞往復(fù)運(yùn)動的穩(wěn)定性，并保證活塞不偏離平衡位置。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述已有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于斯特林制 冷機(jī)和自由活塞斯特林發(fā)動機(jī)的柔性彈簧。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種柔性彈簧，包括外環(huán)墊片、內(nèi)環(huán)墊片，彈簧中心有活塞軸用通孔，彈簧外圈有 多個安裝孔，該柔性彈簧以費(fèi)馬曲線方程來確定彈簧渦旋槽型線，型線共有三條，三條型線 呈120°角均勻分布，通過改變渦旋槽型線起始發(fā)生角a和渦旋槽型線略角9，可以控制 渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線的起始位置和終了位置，通過改變渦旋槽型線起點(diǎn)半徑A和渦 旋系數(shù)B，可以得到不同幾何形狀的渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線，內(nèi)外側(cè)曲線光滑過渡封 閉。所述柔性彈簧的渦旋槽型線略角為90° 450°。所述柔性彈簧的渦旋槽型線起始發(fā)生角為0° 30°。所述柔性彈簧的渦旋槽型線渦旋系數(shù)為0. 01 0. 50。
所述柔性彈簧的渦旋槽型線起始半徑為1mm 20mm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果可以是1、使用該型線的柔性彈簧應(yīng)力分布均勻，局部應(yīng)力、形變??；2、使用該型線的柔性 彈簧有合適的軸向剛度和較大的徑向剛度。


圖1是本發(fā)明彈簧的渦旋槽內(nèi)外型線封閉方式示意圖。圖2是本發(fā)明彈簧采用螺釘固定的示意圖。圖3是本發(fā)明彈簧的采用螺母固定的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但不應(yīng)以 此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。柔性彈簧是一種在彈性片狀材料上按照特定型線加工出的具有一定剛度的零件， 厚度一般為0. 2mm 3mm，其制作材料一般為不銹鋼彈簧片(lCrl8Ni9Ti)、鈹青銅。柔性彈簧的型線形態(tài)該發(fā)明以費(fèi)馬曲線方程為基本算法來確定柔性彈簧上的彈 簧渦旋槽型線，型線共有三條，三條型線承120°角均勻分布，以下為該型線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。方程中符號定義A 渦旋槽型線起點(diǎn)半徑(mm) ；B :曲線的渦旋系數(shù)；6 :渦旋槽型線略角變量(° ) 渦旋槽型線起始發(fā)生角(° )；在X-Y平面上，渦旋槽內(nèi)、外側(cè)上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為 其中，下標(biāo)為i表示為渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線上的參數(shù)，下標(biāo)為o表示為渦旋槽外側(cè)曲 線上的參數(shù)。通過改變曲線起點(diǎn)半徑A和渦旋系數(shù)B，可以得到不同幾何形狀的渦旋曲線。 通過改變曲線起始發(fā)生角a和曲線略角e，可以控制曲線的起始位置和終了位置，滿足不 同內(nèi)、外徑尺寸柔性彈簧對渦旋槽型線的要求。形成彈簧的渦旋槽后，以渦旋槽內(nèi)外側(cè)曲 線起始點(diǎn)中心為圓心，作半圓弧封閉渦旋槽內(nèi)端曲線；在渦旋槽終了端，采用如圖1所示方 法，以外側(cè)曲線延長線§0與內(nèi)側(cè)曲線終點(diǎn)A處法線@的交點(diǎn)0為圓心，&長為半徑做圓弧
八^，再以&與外側(cè)曲線終點(diǎn)B處法線％的交點(diǎn)為圓心，_長為半徑做圓弧匸^，封閉
渦旋槽外端曲線；內(nèi)外側(cè)曲線光滑過渡封閉，以防止由于非平滑過度引起的應(yīng)力集中，提高 彈簧的使用壽命。
柔性彈簧的工作方式多片柔性彈簧組成一組裝配件被安裝在彈簧支架中，一個 彈簧組件由多片彈簧組成，彈簧和彈簧之間用墊片隔開，再采用一定的裝配方式將彈簧和 彈簧基座以及軸進(jìn)行連接。柔性彈簧組件的安裝方式分為單邊布置和雙邊布置兩種單邊 布置方式是將彈簧組件布置在直線電機(jī)的一側(cè)，這種布置中軸和彈簧組件類似于一個懸臂 結(jié)構(gòu)；雙邊布置方式是在直線電機(jī)的兩側(cè)都安裝彈簧組件，電機(jī)懸掛于兩端支持的軸之間。 其中，柔性彈簧的內(nèi)孔與活塞桿連接，柔性彈簧外圓與彈簧支架連接，直線電機(jī)運(yùn)動時，帶 動軸一起運(yùn)動，柔性彈簧沿軸向往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)彈簧功能。又由于彈簧型線對稱分布，且有 較大的徑向剛度，起到了限位作用，保證活塞軸在徑向的穩(wěn)定，從而避免活塞與氣缸產(chǎn)生直 接摩擦，保證了軸端活塞與氣缸之間的間隙密封。下面利用不銹鋼彈簧薄片作為材料，結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作細(xì)說 明選擇厚度為0. 29mm的彈簧不銹鋼材料(lCrl8Ni9Ti)，對其進(jìn)行熱平壓處理。根據(jù) 實(shí)際需要選擇渦旋槽內(nèi)外型線起始發(fā)生角度 和\，其取值范圍一般為0° 30°，帶入 方程分別得到渦旋槽內(nèi)外型線曲線方程；以略角e為變量，對型線方程進(jìn)行計(jì)算，略角變 量的增量在加工許可范圍內(nèi)選定，應(yīng)考慮到型線平滑過渡和加工工藝水平。采用切割機(jī)把 該材料切割成外徑59mm、內(nèi)徑4mm的金屬薄片；根據(jù)使用需要確定外墊片2的位置，在外墊 片和柔性彈簧的相應(yīng)位置切割出安裝孔4，孔徑2mm(視裝配要求確定內(nèi)環(huán)墊片3的位置， 在外墊片和柔性彈簧的相應(yīng)位置切割出安裝孔4，孔徑2mm)；以金屬薄片的圓心為坐標(biāo)原 點(diǎn)，利用切割機(jī)按曲線方程對板材進(jìn)行加工，得到渦旋槽5，以圓心為中心旋轉(zhuǎn)120°，按曲 線方程進(jìn)行切割，再旋轉(zhuǎn)120°，同上切割(切割方法可以是線切割、激光切割、水刀切割和 化學(xué)蝕刻等)；完成后清除切割處殘留物，以丙酮和酒精清洗，放于60°C烘箱干燥，檢驗(yàn)合 格后方可進(jìn)行裝配。彈簧組件可按圖2所示方法連接，每片柔性彈簧1之間用外環(huán)墊片2和內(nèi)環(huán)墊片 3隔開，活塞軸穿過彈簧內(nèi)孔和內(nèi)環(huán)墊片3 ；外環(huán)墊片2與柔性彈簧間在安裝孔4處用螺釘 6連接，并緊固在彈簧支架上；內(nèi)環(huán)墊片3與柔性彈簧間在安裝孔4處用螺釘6連接緊固， 兩側(cè)的內(nèi)環(huán)墊片3壓緊在活塞軸肩上，實(shí)現(xiàn)彈簧組件與軸的同步運(yùn)動。彈簧組件也可按圖3所示方法連接，每片柔性彈簧1之間用外環(huán)墊片2和內(nèi)環(huán)墊 片7隔開，活塞軸穿過彈簧內(nèi)孔和內(nèi)環(huán)墊片7 ；外環(huán)墊片2與柔性彈簧間在安裝孔4處用螺 釘6連接，并緊固在彈簧支架上；活塞軸上有螺紋，內(nèi)環(huán)墊片7通過螺母8鎖緊并固定在軸 上，實(shí)現(xiàn)彈簧組件與軸的同步運(yùn)動。本發(fā)明研制了一種具有較大徑向剛度和一定軸向剛度的新型長壽命柔性彈簧，以 提高直線壓縮機(jī)的使用壽命與可靠性。本發(fā)明通過新型線的設(shè)計(jì)，利用彈簧中心往四周徑 向輻射的懸臂分散彈簧所受壓力，使彎曲應(yīng)力更均勻的分布在彈簧葉片上，進(jìn)一步提高彈
簧可靠性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。任何 所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與 潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)視權(quán)利要求書所界定范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種柔性彈簧，包括外環(huán)墊片、內(nèi)環(huán)墊片，彈簧中心有活塞軸用通孔，彈簧外圈有多個安裝孔，其特征在于該柔性彈簧以費(fèi)馬曲線方程來確定彈簧渦旋槽型線，型線共有三條，三條型線呈120°角均勻分布，通過改變渦旋槽型線起始發(fā)生角α和渦旋槽型線略角θ，可以控制渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線的起始位置和終了位置，通過改變渦旋槽型線起點(diǎn)半徑A和渦旋系數(shù)B，可以得到不同幾何形狀的渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線，內(nèi)外側(cè)曲線光滑過渡封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性彈簧，其特征在于所述柔性彈簧的渦旋槽型線略角為 90° 450°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性彈簧，其特征在于所述柔性彈簧的渦旋槽型線起始發(fā)生 角為0° 30°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性彈簧，其特征在于所述柔性彈簧的渦旋槽型線渦旋系數(shù) 為 0. 01 0. 50。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性彈簧，其特征在于所述柔性彈簧的渦旋槽型線起始半徑 為 1mm 20mmo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性彈簧，包括外環(huán)墊片、內(nèi)環(huán)墊片，彈簧中心有活塞軸用通孔，彈簧外圈有多個安裝孔，該柔性彈簧以費(fèi)馬曲線方程來確定彈簧渦旋槽型線，型線共有三條，三條型線呈120°角均勻分布，通過改變渦旋槽型線起始發(fā)生角α和渦旋槽型線略角θ，可以控制渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線的起始位置和終了位置，通過改變渦旋槽型線起點(diǎn)半徑A和渦旋系數(shù)B，可以得到不同幾何形狀的渦旋槽內(nèi)側(cè)曲線和外側(cè)曲線，內(nèi)外側(cè)曲線光滑過渡封閉。使用本發(fā)明柔性彈簧，應(yīng)力分布均勻，局部應(yīng)力、形變?。辉撊嵝詮椈捎泻线m的軸向剛度和較大的徑向剛度。
文檔編號F16F3/00GK101893050SQ201010225430
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者劉穎, 吳亦農(nóng), 張華 , 武衛(wèi)東, 陳曦 申請人:上海理工大學(xué)