平面涡卷弹簧的创新设计范文

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《黑龙江科技信息杂志》2014年第十七期

1涡卷弹簧的创新设计方法

涡卷弹簧的特点是与力矩与转角成正比，而重力产生的力矩为重力与臂长余弦的乘积，为了简化问题，我们采用最大力矩来作为计算的依据。首先我们采用的设计方法是根据JB/T7366-1994，按照给定的基本参数，宽度为20mm，厚度为3mm，最大外圆直径为60mm，最终的计算结果为展开长度为140mm（计算过程略），而弹簧的最大圆周的周长约为180mm，也就是说，弹簧的缠绕长度为3/4,弹簧无法实现。在此情况下，我们使用了非常规的方法，决定使用有限元分析，改变弹簧参数，逐步拟合的方式，希望能够找到一个可行的解决方案。

Solidworks软件自带了有限元分析模块，我们首先设计了弹簧的基本参数进行分析。网格的划分采用软件自动划分，固定端为涡卷弹簧的内部端，受力端为外部端，因为直线和平面上只能施加力和压力，无法直接施加力矩，如果加力过大话，由于与实际需要分析承受力矩情况不相符，我们在受力端给出1牛顿的力图1，基于平面涡卷弹簧变形角的大小与扭矩成正比的思想，计算得出在最大运动范围的时候的最大力矩。经过参数的多次优化，最终结果如图1所示，应力图见图2，应变图见图3，按照应力需要，选择材料为60Si2Mn。

2涡卷弹簧的加工

2.1卷绕加工。由于弹簧的钢板较厚，实验所需单件生产的加工难度比较大，弹簧的设计为比较极限的状态，应力的裕量很小，采用常规的卷绕加工成型的方法加工以后，如果材料，热处理等处理不好，将导致弹簧的失败。

2.2线切割。另外一种方案采用线切割的方式进行实验，材料采用60Si2Mn，线切割原始尺寸准确，成型后的外观效果较好，热处理温度不当会导致碎裂，或者导致塑性变形无法恢复，热处理适当的时候会有比较好的效果。

2.3采用其他材料的探讨。铍青铜是一种含铍铜基合金（Be0.2～2.75%wt%），在所有的铍合金中是用途最广的一种，其用量在当今世界已超过铍消费总量的70%。铍青铜是沉淀硬化型合金，固溶时效处理后具有很高强度、硬度、弹性极限和疲劳极限，弹性滞后小。铍青铜从材料特性上来讲都是比较优秀的平面涡卷弹簧的材料选择，但是由于材料的特殊性，使用较少，达到材料的最佳性能的工艺手段复杂，对这两种材料仅进行了初步的研究。

3使用

最终应用在机械臂上的弹簧为采用60Si2Mn，线切割加工后，经热处理完成的成品，在几个月的使用过程当中，当需要进行手动拖动的时候，人感觉比较轻松，在工作范围内，基本可以达到静力平衡，重力产生的力矩与弹簧回复力矩之间的差值，由于摩擦等情况的存在，没有明显感觉，但对其长期使用的可靠性和稳定性，仍需要进一步研究。

4结论

将涡卷弹簧安装在机械臂的关节处，对机械臂的重力产生的力矩进行平衡，具有明显的优点，但是在涡卷弹簧的设计和加工的过程当中，仍有很多课题需要解决，包括设计的方法，材料的选择，加工工艺的控制，以及加入了弹性元件以后对于动态响应的影想的克服，这些都限制了该技术的发展，相信通过更多的人的研究和努力，一定会使平面涡卷弹簧重力平衡技术和其他蓄能平衡技术得到更广泛的应用。

作者：王建国单位：哈尔滨思哲睿智能医疗设备有限公司