結合式螺旋壓縮彈簧的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明針對一種壓縮彈簧，其具有增加的剛度。特別地，本發(fā)明針對一種結合式壓縮彈簧，其可用塑料打印或模制。
【背景技術】
[0002]由于它們的動態(tài)和力學性能，彈簧被廣泛地用于許多行業(yè)中。例如，大型彈簧用于汽車行業(yè)中，或者小型彈簧用于較小的電子和/或機械裝置中?？紤]到它們制造的質量、剛度、強度及它們可被大規(guī)模生產的能力，鋼彈簧(steel springs)經常地被使用。然而，鋼彈簧往往相對較重并且它們的重量在某些應用中是不利的。例如，在如汽車、飛機和火車車廂的應用中，減輕不同部件的重量以減輕設備的整體重量是至關重要的。鋼彈簧的其它缺點是它們具有有限的耐腐蝕性、疲勞強度、具有高熱膨脹系數、具有磁性并且是導電的。此外，由于疲勞損壞金屬彈簧的振動能力和耐久性限制了這些機器運行而沒有金屬彈簧更換的時間和頻率的長度。
[0003]鋼彈簧的一些缺點的一種解決方法是由復合材料制成單螺旋彈簧。由復合材料制成的單螺旋彈簧已開發(fā)利用塑料材料輕質特點的優(yōu)勢。然而，這些類型的彈簧未能提供足夠的剛度來代替鋼彈簧。單螺旋彈簧是扭桿繞成螺旋形式，扭桿的剛度由材料的彈性剪切模量決定。由于復合材料的剪切模量小于鋼的剪切模量，復合材料單螺旋彈簧的剛度遠小于鋼制單螺旋彈簧的剛度。
[0004]還已知的是金屬多波形壓縮彈簧(metal mult1-wave compress1n spring)。就其本質來說波形彈簧易于疲勞失效。彈簧被反復伸縮并且彈簧的每一圈的橫截面一般為薄的，彈簧常常被受壓至可能的最高極限。波形彈簧通常由硬化和回火金屬制成，其中金屬被塑性變形以生成波形。這種變形在波形的不同表面內具有殘余壓應力和拉伸應力。加載后，殘余應力增加施加在彈簧上的有效的應力。除了彈簧的疲勞壽命的特性外，由殘余應力和施加的應力共同引起的載荷可能超過材料的屈服強度并導致彈簧的災變性失效(catastrophic failure)。
[0005]與金屬波形壓縮彈簧相關的另一問題是通常用于成形彈簧的方法。為了制造多波形壓縮彈簧，金屬絲通常被邊緣繞成彈簧的圓形結構。由于邊緣繞制導致的材料扭曲，在多波形彈簧相鄰的層上的波峰和波谷之間的接觸區(qū)域沒有在平行面之間，相反層在一點接觸。更特別地，邊緣繞制的鋼或金屬多波形壓縮彈簧從彈簧的縱軸徑向向外的方向上不是均勻一致的平面。結果，僅每個波峰和波谷的外邊緣在一點接觸。在每個相鄰的波峰和波谷的點載荷形成大的點載荷接觸應力，其在彈簧的外邊緣上。在重復和連續(xù)的彈簧的加載過程中點接觸造成相鄰的波峰和波谷之間的摩擦。在波峰和波谷之間的點接觸生成的摩擦導致在彈簧絲表面的磨損。點摩擦或磨損降低了疲勞壽命并生成尖銳的邊緣。尖銳的邊緣增加了大的應力集中系數進一步惡化了接觸區(qū)域并最終在彈簧內生成裂紋萌生部位，其可能導致災變性失效。
[0006]與金屬多波形壓縮彈簧相關的另一問題是彈簧響應的非線性。金屬彈簧的相鄰波峰和波谷之間的點接觸和通常用于這種彈簧的制造方法的影響導致線性彈簧剛度在很窄的撓度范圍內或者非線性彈簧響應在更大的撓度范圍內。本文涉及的“線性”彈簧響應、彈簧常數或彈簧剛度表示施加的力的恒定的增量導致彈簧撓度的恒定增量。
[0007]與金屬多波形彈簧相關的另一問題是滯后現象。滯后現象是當彈簧被加載時與當加載被移除時相比彈簧的力/撓度的曲線的差別。大的滯后現象導致不一致的彈簧性能，特別在高頻加載和卸載條件下。
[0008]長期已知的是使用復合材料作為金屬板簧和金屬卷簧的代替品。復合材料的使用提供金屬彈簧的輕質替代品。然而，部分地由于波形的特點和與波形相關的成形需求，復合材料的益處在多波形壓縮彈簧的使用中并沒有完全實現。將波形成形到固化復合絲層或卷簧內是不切實際的并且將導致復合材料的纖維和/或樹脂基的裂紋、斷裂或失效。而且，即使固化復合絲如金屬絲一樣可被邊緣繞制，波峰和波谷將仍將是傾斜的，造成點接觸和相應的所有缺陷。
[0009]另外，就其本質而言多波形彈簧在波峰和波谷界面處具有大量的接觸和/或摩擦。多波形彈簧能夠在各種各樣的環(huán)境和條件下使用，包括工業(yè)和汽車應用，其是非無菌的、臟的并具有許多顆粒污染物。這些臟的顆粒和其它的污染物影響波峰和波谷的界面和切割、降解或否則損傷復合材料，特別是纖維。
[0010]因此，需要的是，一種能夠為多種應用提供足夠剛度的輕質壓縮彈簧。進一步需要的是，一種具有改進的耐疲勞性和腐蝕性的彈簧。

【發(fā)明內容】

[0011]如本文公開的，解決方案是通過一種結合式(bonded)螺旋壓縮彈簧提供的。所述彈簧包括具有連續(xù)的波峰(crests)和波谷(troughs)的多個層。第一層的第一波峰和第一波谷與相鄰的第二層的相應的第二波谷和第二波峰對齊、并且與相鄰的第三層的相應的第三波谷和第三波峰對齊。第一層的第一波峰結合至相鄰第二層的第二波谷，并且第一層的第一波谷結合至相鄰的第三層的第三波峰。由于相鄰的層的波峰和波谷結合在一起，使波峰和波谷之間的摩擦被消除。
[0012]根據下面的優(yōu)選實施例的更多詳細說明，結合通過示例示出了本發(fā)明的原理的附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將是明顯的。
【附圖說明】
[0013]圖1是根據本發(fā)明的結合式螺旋壓縮彈簧的示例性實施例的透視圖。
[0014]圖2是圖1的結合式螺旋壓縮彈簧的前視圖。
[0015]圖3是沿著圖1的線3-3的結合式螺旋壓縮彈簧的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0016]根據本發(fā)明原理的示例性實施例的說明意在結合附圖閱讀，其被認為是整個說明書的一部分。在本文公開的本發(fā)明的實施例的說明中，對方向或取向的任何提及僅是為了說明的方便并且不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相關術語如“下面”、“上面”、“水平”、“豎直，，、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”以及其派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應當解釋為涉及隨后討論中描述或在附圖中所示出的方向。這些相對性的術語僅是為了方便說明并且并不要求那些設備以特定的取向構造或運行，除非這樣明確的指出。術語如“相連”、“固定”、“連接”、“結合”、“互連”及類似的關系中通過中間結構以及可移動的剛性連接件或關系，結構被直接或間接地固定或連接至另一個，除非另有明確描述。而且，本發(fā)明的特征和益處根據優(yōu)選的實施例描述。因此，本發(fā)明明確地不限于這些示出了一些可能的非限制性組合特征的優(yōu)選實施例，這些特征單獨出現或與其他特征組合，本發(fā)明的范圍由所附的權利要求限定。
[0017]在圖1中示出了根據本發(fā)明的一個實施例的結合式螺旋壓縮彈簧10。壓縮彈簧的每一層12圍繞彈簧10—般延伸360°并包括連續(xù)的波峰14和波谷16，其跟隨基本為正弦波的路徑。每層12的波峰14和波谷16的數量相等。一層12的波峰14和波谷16與相應地在該層之上或之下的相鄰的層12的波峰14和波谷16對齊并鄰接。這種特殊類型的彈簧構造通常在本領域內稱為“多波形”彈簧。這種彈簧可由材料如，但不限于，金屬、塑料、填充聚合物及非填充聚合物制成。
[0018]彈簧10可通過注塑成型、三維打印(three-dimens1nal printing)或其它的已知工藝制造?？蛇x地，層12可帶墊圈(例如，但不限于，金屬墊圈)或其它材料制成，在其內相鄰的波峰16和波谷14結合在一起。相鄰的波峰14和波谷16可通過粘合劑、樹脂、焊接、鉚合或其它已知的方法結合在一起?？蛇x地，波峰14和波谷16在層12成形時結合在一起。在制造過程中材料被沉積(即，通過三維打印或通過注射成型)，通過每層12與每一相鄰的層12成為一體并結合將彈簧10制成一個件，從而將相鄰的波峰14和波谷16結合在一起。
[0019]在一個示例性實施例中，多個單層12的每一層具有連續(xù)的波峰14和波谷16。第一層12a的第一波峰14a和第一波谷16a與相鄰的第二層12b的相應的第二波谷16b和第二波峰14b對齊以及與相鄰的第三層12c的第三波谷16c和第三波峰16c對齊。第一層12a的第一波峰14a結合至相鄰的第二層12b的第二波谷16b，第一層12a的第一波谷16a結合至相鄰的第三層12c的第三波峰14c。由于相鄰的層12的波峰14和波谷16結合在一起，消除了波峰和波谷之間的摩擦。
[0020]在另一個示例性實施例中，螺旋壓縮彈簧10與多個層12成形為一體，如在圖2中最佳地示出。多個層12的每一層具有連續(xù)的波峰14和波谷16。第一層12a的第一波峰14a和第一波谷16a與相鄰的第二層12b的相應的第二波谷16b和第二波峰14b對齊以及與相鄰的第三層12c的相應的第三波谷16c和第三波峰16c對齊。第一層12a的第一波峰14a與相鄰的第二層12b的第二波谷16b—體成形，第一層12a的第一波谷16a與相鄰的第三層12c的第三波峰14c一體成形。由于相鄰的層12的波峰14和波谷16結合在一起，消除了波峰和波谷之間的摩擦。
[0021]在示出的示例性實施例中，在一個層12內波峰14和波谷16的振幅與在相鄰的層或其它層內的波峰14和波谷16的振幅相等。然而，在其它的實施例中彈簧10具有沿著其縱軸成形的不同區(qū)域。在這些層或區(qū)域的任何一個內波峰14和波谷16的所有振幅與在其余層或區(qū)域內的所有振幅不相等。如本文使用，術語“振幅(amplitude)”定義的是從層中心線(centerline)到波峰14和波谷16的峰的距離。此距離基本等于單個層12的自由高度的一半。
[0022]如在圖2中所示，彈簧10的相鄰的層12內的每個波峰14和波谷16沿著接觸區(qū)域20接觸。接觸區(qū)域20優(yōu)選地基本