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1、涡旋柔性弹簧型线设计及有限元分析---陈楠陈曦吴亦农等涡旋柔性弹簧型线设计及有限元分析陈楠1陈曦2吴亦农2杨春光1徐烈11.上海交通大学,上海,2000302.中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083摘要:提出了广泛用于小型低温制冷机上直线压缩机中涡旋柔性弹簧型线设计方法。利用基本的圆渐开线方程,通过调整基圆半径、渐开线节距、渐开线发生角、涡旋体槽宽、涡旋体圈数、渐开线的渐开角以及涡旋槽在空间的分布,来实现柔性弹簧型线的设计。为了分析柔性弹簧的各项性能,建立了有限元应力分析模型,通过有限元软件平台,对广泛使用的牛津型型线的柔性
2、弹簧进行了数值分析,并将分析结果与实验数据进行了对比,证明了有限元方法的有效性。根据不同的实际性能要求设计出了不同型线的柔性弹簧。通过分析得出了弹簧几何特征与弹簧刚度之间的关系。关键词:涡旋;柔性弹簧;有限元;刚度中图分类号:TB65文章编号:1004-132X(2006)12-1261-05DesignandFiniteElementAnalysisofSpiralFlexureSpring12211ChenNanChenXiWuYinongYangChunguangXuLie1.ShanghaiJiaoTongUniversity
3、,Shanghai,2000302.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai,200083Abstract:Universaldesignmethodofspiralflexurespringhadbeenputforwardfirstly.Throughadjustingthespacedistributionofspiralarmstogetherwiththeparametersofspiralprofileincludingbase
4、radius,involutepitch,involuteangle,startangleofinvolute,thicknessofslot,variousspiralflexurespringswithdifferentperformanceswereobtained.Thenthefiniteelementprogram,whosevalidityhadbeenprovedbythecomparisonoftheresultsofnumericalanalysisandtheexperimentaldata,wasusedtoa
5、nalysetheperformanceoftheflexuresprings.Onthebasisofthismethod,somenewspiralflexurespringshadbeendeveloped.Finallythegeneralrelationshipbetweentheperform-anceofflexurespringandthegeometricalparameterhasbeenfoundbythefiniteelementanalysis,whichcanbeserverastheguidelineto
6、thedesignofflexurespring.Keywords:spiralinvolute;flexurespring;finiteelement;stiffness0引言变的前提下弹簧厚度加大,轴向刚度和径向刚度现代斯特林和脉冲管式制冷机几乎均采用了增大,可提供的行程减小,因此,当弹簧外径和接直线电机驱动、间隙密封、柔性弹簧支撑的技术方口尺寸受限,同时制冷机需要提供较大的径向刚案。柔性弹簧用于支撑制冷机压缩活塞与膨胀活度、轴向刚度和大的活塞行程时,单一改变弹簧厚塞,保持运动过程活塞与气缸的密封间隙,为活塞度就不能满足性能的需求
7、,从而改变型线成为一往复振动提供足够刚度并且要有一定的行程。因种有效的方法。[1]此,柔性弹簧对于减少斯特林制冷机中间隙密封Gaunekar等对涡旋型线的弹簧性能进行的磨损、提高整体可靠性和工作寿命有着至关重了有限元分析,提出了针对这种型线的量纲一设[2]计曲线。Benschop等运用涡旋弹簧开发了用要的作用。疲劳强度、轴向刚度、径向刚度和柔性于红外探测系统的小型斯特林制冷机。Richard弹簧组件的自振频率四个指标全面地反映了柔性[3]等设计出的涡旋弹簧经过了寿命、环境等一系弹簧不同方面的性能。这四个性能指标与弹簧几列的实验测试,被
8、成功地用于美国军用小型制冷何结构密切相关。结构参数中可以调整的参数有[4]机。刘晓华等运用涡旋弹簧研制开发了用于航弹簧厚度、型线方式、内外螺孔的开口位置和大[5]天、航空的多种型号斯特林制冷机。Lee等运小,以及弹簧外径
