CN1749593A - 组合式扭转弹簧 - Google Patents

Abstract

组合式扭转弹簧属于机械设备技术领域。扭杆弹簧是现有的一种扭转弹簧，是用弹性材料制作的条状物，如果要提高其轴向和径向刚度与强度以及稳定性，须加大其截面尺寸，那么其扭转刚度也在提高，从而降低了扭转弹簧柔韧性。本发明之组合式扭转弹簧由两个端面和三个或者三个以上的条状物组成，两个端面在空间平行，相距一定距离，在两个端面之间各条状物彼此平行，均匀分布在一个平行于两个端面的圆周上，每个条状物的两端分别固定在两个端面内侧。由于采用数根条状物，那么每根条状物的尺寸可以定得小一些，小到其能够保持一定的柔韧性，同时在轴向和径向上的刚度与强度以及稳定性也有较大幅度提高。本发明可以应用于整个机械领域，作为一种标准部件使用。

Description

组合式扭转弹簧

技术领域

本发明之组合式扭转弹簧是一种机械部件，用于各种机械装置中，属于机械设备技术领域。

背景技术

在现有技术中，通常将螺旋弹簧直接用作扭转弹簧。另外一种扭转弹簧就是所谓的特种弹簧中的扭杆弹簧，用弹性材料制作成条状物，其截面可以是矩形、椭圆形，或者是圆形。在其两端施以扭力，或者一端固定，在另一端施以扭力，条状物发生扭曲。

发明内容

就扭杆弹簧来说，对于大载荷的扭转，由于其所受的载荷较大，对其轴向和径向刚度与强度以及稳定性要求很高，为了满足这一要求，必须加大其截面尺寸，如果这样，通常会在提高了扭杆弹簧的刚度与强度以及稳定性的同时，其扭转刚度也在提高，而通常要求扭转弹簧的扭转刚度不宜过大，应当具有一定的柔韧性。那么，为了在提高扭转弹簧的轴向和径向刚度与强度以及稳定性同时，又能使扭转弹簧保持一定的柔韧性，我们发明了一种组合式扭转弹簧。

本发明之组合式扭转弹簧由两个端面和三个或者三个以上的条状物组成，两个端面在空间平行，相距一定距离，在垂直于两个端面的方向上，过两个端面存在一个几何轴线，在两个端面之间各条状物彼此以及与该几何轴线平行，绕该几何轴线均匀分布在一个以几何轴线上的一点为圆心、平行于两个端面的圆周上，每个条状物的两端分别固定在两个端面上。

由于采用数根条状物，使得本发明之组合式扭转弹簧整体上在轴向和径向上的刚度与强度显著提高。还是由于采用数根条状物，那么每根条状物的尺寸可以定得小一些，小到其能够保持一定的柔韧性，从而使得该扭转弹簧在轴向和径向上的刚度与强度以及稳定性有较大幅度提高，而扭转刚度较小，扭转角较大，从而保持作为扭转弹簧所应当具有的柔韧度。

附图说明

图1是本发明之组合式扭转弹簧的主视图。图2是本发明之端面为圆形平面的组合式扭转弹簧沿主视图A-A方向剖视左视图。图3是本发明之端面为圆环形平面的组合式扭转弹簧沿主视图A-A方向剖视左视图。图4是条状物截面为椭圆形时的示意图。图5是条状物截面为菱形时本发明之组合式扭转弹簧的主视图。图6是条状物截面为菱形时沿本发明之组合式扭转弹簧主视图B-B方向剖视左视图。图7是多根条状物组合时其一种分布状态示意图。图8是单根条状物受力示意图。

具体实施方式

该组合式扭转弹簧由两个端面和三个或者三个以上的条状物组成，各条状物分布在两个端面之间，见图1、图2所示。两个端面可以是圆形平面1、2，如图2所示，也可以是圆环形平面4，如图3所示。两个端面在空间平行，相距一定距离。在垂直于两个端面的方向上，过两个端面的几何中心存在一个几何轴线。两个端面由刚性材料制作。在两个端面之间各条状物彼此、以及与该几何轴线平行，绕该几何轴线均匀分布在一个以几何轴线上的一点为圆心、平行于两个端面的圆周上。每个条状物3的两端分别固定在两个端面各自的内侧。条状物的横截面可以是矩形，如图2所示，也可以是椭圆形，如图4所示，还可以是菱形，如图5、图6所示。矩形、椭圆形、菱形各自的中心在360°范围内均匀分布在一个圆周上，并且，它们的长轴沿该圆周径向呈放射状分布，见图7所示。条状物由弹性材料制作。每一个组合式扭转弹簧只选用一种形状、尺寸和材质的条状物。

为了有助于对本发明的理解和实施，下面结合本发明之组合式扭转弹簧的一个具体技术方案在力学上做一些必要的分析。见图7、图8所示，两个端面选用法兰盘，条状物截面为矩形，n个条状物均匀分布在半径为R的圆周，条状物截面为h×b，条状物长为l，设其材料的弹性模量为E。在该扭转弹簧受到扭力时，每个条状物3的受力状况见图8所示。设条状物3头部产生单位位移所需的力为P₁，P₁为近似扭力，则有：

$P_1=\frac{3\mathrm{EI}}{l^3}$

其中：I为条状物3的惯性矩，并且：

$I=\frac{{\mathrm{bh}}^3}{12}$

则组合式扭转弹簧的扭转刚度K为：

$K=\frac{P_1\×R}{\frac{1}{R}}\×n=\frac{3\mathrm{EI}{R}^{2}n}{l^3}=\frac{\mathrm{nEb}{h}^3{R}^2}{4l^3}$

关于组合式扭转弹簧轴向载荷P，考虑到扭转弹簧受到轴向载荷后主要失效方式是丧失稳定性，那么：

$P=\frac{2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(2l\right)}^2}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{nEb}{h}^3}{48l^2}$

关于应力校核，条状物上任意一点处的最大许用应力为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_{\max }}{W}=\frac{M_{\max }}{\frac{b{h}^2}{6}}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]$

其中[σ]是条状物所用材料的许用应力；

则一个条状物所能提供的最大扭矩为：

$M_{\max }=\frac{b{h}^2}{6}\left[\mathrm{\σ}\right]$

所以，按许用应力计算的条状物3头部允许承受的力为：

$P_1=\frac{M_{\max }}{l}=\frac{{\mathrm{bh}}^2\left[\mathrm{\σ}\right]}{6l}$

最后，得到组合式扭转弹簧所能提供的最大扭矩M：

$M=P_{1}R=\frac{\mathrm{nR}{\mathrm{bh}}^2\left[\mathrm{\σ}\right]}{6l}.$

Claims (10)

1、一种组合式扭转弹簧，其中包括呈条状物的扭杆弹簧，其特征在于，由两个端面和三个或者三个以上的条状物组成，两个端面在空间平行，相距一定距离，在垂直于两个端面的方向上，过两个端面存在一个几何轴线，在两个端面之间各条状物彼此以及与该几何轴线平行，绕该几何轴线均匀分布在一个以几何轴线上的一点为圆心、平行于两个端面的圆周上，每个条状物的两端分别固定在两个端面上。

2、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，两个端面可以是圆形平面(1、2，)或者圆环形平面(4)。

3、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，两个端面由刚性材料制作。

4、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，条状物的横截面可以是矩形、椭圆形或者菱形。

5、根据权利要求4所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，条状物横截面的矩形、椭圆形或者菱形各自的中心在360°范围内均匀分布在一个圆周上，它们的长轴沿该圆周径向呈放射状分布。

6、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，条状物由弹性材料制作。

7、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，每一个组合式扭转弹簧只选用一种形状、尺寸和材质的条状物。

8、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，扭转刚度K为：

$K=\frac{P_1\×R}{\frac{1}{R}}\×n=\frac{{3\mathrm{EIR}}^{2}n}{l^3}=\frac{{\mathrm{nEbh}}^3{R}^2}{{4l}^3}.$

9、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，轴向载荷P为：

$P=\frac{{\mathrm{n\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(2l\right)}^2}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{nEb}{h}^3}{{48l}^2}$

10、根据权利要求1所述的组合式扭转弹簧，其特征在于，提供的最大扭矩M为：

$M=n{P}_{1}R=\frac{\mathrm{nRb}{h}^2\left[\mathrm{\σ}\right]}{6l}$

Images