[发明专利]一种基于性能要求的变刚度弹簧设计方法

说明书

本发明提供了一种基于性能要求的变刚度弹簧设计方法，属于机械弹簧设计领域，该方法能够根据设计需求改变弹簧的特征曲线，使得特征曲线在大范围内与目标曲线重合。本发明对等螺旋角圆锥螺旋弹簧进行分析，螺旋角α为常数，得出弹簧丝直径d＝AR^B时载荷与变形的计算式，A>0,B≥0；根据计算过程编写该计算式的程序，探究弹簧参数对特征曲线的影响规律；根据性能要求将影响参数带入程序迭代得出最优解。

技术领域

本发明提供一种基于性能要求的变刚度弹簧的设计方法，属于机械弹簧设计领域。

背景技术

机械弹簧按照其特征曲线(载荷与变形的函数曲线)来分一般分为线性和非线性两类，线性弹簧的刚度在变形过程保持不变，结构简单，制造方便，非线性弹簧的刚度在变形过程中开始会保持不变，但随着载荷的增大刚度会逐渐变化，有利于消除或缓和共振，稳定性好，可以承受较大的载荷。

但是上述机械弹簧在实际工程中存在如下缺陷：1、弹簧特征曲线满足性能要求的变化范围较小，超过了此范围则无法实现相应的功能，应用场合有很大的局限性；2、弹簧的刚度为常数或者开始为常数随后逐渐变化，设计者不能根据性能要求找到相应的弹簧，例如要求弹簧的刚度在变形中满足一定的力-变形关系，从而实现系统地某一个特殊功能，这是上述弹簧无法满足的。

发明内容

为克服目前机械弹簧在实际工程中存在的缺陷，本发明提出一种基于性能要求的变刚度弹簧的设计方法，该方法能够根据设计需求改变弹簧的特征曲线，使得特征曲线在大范围内与目标曲线重合。本发明对等螺旋角圆锥螺旋弹簧(螺旋角α为常数)进行分析，得出弹簧丝直径d＝AR^B(A>0,B≥0)时载荷与变形的计算式；根据计算过程编写该计算式的程序，探究弹簧参数对特征曲线的影响规律；根据性能要求将影响参数带入程序迭代得出最优解。

本发明的技术方案：

一种基于性能要求的变刚度弹簧设计方法，步骤如下：

1.d＝AR^B时等螺旋角圆锥弹簧载荷与变形的计算式

等螺旋角圆锥弹簧的变形过程为，在轴向力的作用下，弹簧线圈压缩变形，线圈之间没有相互重叠，在这一阶段特征曲线为直线，弹簧刚度为常数，当有线圈刚开始压并时，此时为转折点，当载荷逐渐增大，弹簧特征曲线呈现为渐增型，弹簧刚度逐渐增大。通过对d＝AR^B进行分析可得，当0≤B≤0.5时，转折点表现为最下端线圈达到最大变形，弹簧从最下端线圈开始逐渐压并直至最上端，得出弹簧的变形计算式为：

式中P表示轴向载荷，D₁、D₂表示端部线圈直径，N₀表示有效线圈数，L₀表示弹簧极限变形长度，G表示剪切模量，d表示弹簧丝直径，A、B表示弹簧丝直径的设计参数，D_T表示临界直径,N₁表示临界线圈数(计算式为)。

当B>0.5时，转折点表现为最上端线圈达到最大变形，弹簧从最上端线圈开始逐渐压并直至最下端，得出弹簧的变形计算式为：

弹簧完全压并时为平面所满足的条件为：

R(θ+2π)-R(θ)≥d (3)

式中θ为弹簧线圈的螺旋极角，R表示弹簧线圈的半径函数且

2.弹簧参数对弹簧特征曲线的影响