一种阿基米德螺线板弹簧的制作方法

本发明是涉及一种板弹簧，具体说，是涉及一种阿基米德螺线板弹簧，特别适用于线性压缩机。

背景技术：

板弹簧是在中心开孔的圆形弹性片状材料上构造出一组具有适当几何尺寸的涡旋槽，形成可振动的弹性臂，从而使片状材料具有一定的轴向刚度和径向刚度。一般用于支撑气缸中的压缩活塞和膨胀活塞，不但可以保持运动过程活塞与气缸的密封间隙，还可以调节压缩活塞与膨胀活塞的相位差，为活塞的往复振动提供足够的刚度和一定的行程，广泛应用于使用直线电机作为机电转换装置的声能制冷机和声能发电机中，对保证机器的稳定高效运行具有重要作用。

根据弹性臂数不同，板弹簧可以分为二、三、四臂及多臂弹簧。根据涡旋槽的空间分布，可分为同心型板弹簧和偏心型板弹簧。根据涡旋槽宽不同，可分为变槽宽弹簧和不变槽宽弹簧。

板弹簧的性能主要体现在疲劳强度、轴向刚度、径向刚度及自然频率这四个方面。由于工作需要，弹簧往复运动超过20亿次，要求弹簧在工作时各处应力趋于一致，消除应力集中，并使最大应力远小于材料的疲劳极限；在低温制冷机中，直线压缩机的运动状态均为直线往复运动，作为振子系统的弹性部件，弹簧轴向刚度对于整个压缩机能耗和运行稳定性有非常重要的作用；直线压缩机中弹簧直接与活塞相连，弹簧支撑活塞及电机动子组件，较大的径向刚度能够保证活塞运动不受侧向力影响而偏离平衡位置，保证气缸的活塞之间的间隙密封，气缸的活塞之间的密封间隙越小，压缩活塞的泄露损失就越小；柔性弹簧随主轴作高速往复运动，其运动频率受制于弹簧片自然频率，为避免柔性弹簧臂发生共振而断裂，则必须使直线压缩机的运行频率避开柔性弹簧的自然频率。

上述板弹簧的四个性能指标与弹簧几何结构密切相关。结构参数中可以调整的参数有弹簧厚度、型线方式、内外螺孔的开口位置和大小，以及弹簧外径。其中，螺孔的位置和外径受外界接口尺寸的限制，调整的余地不大。在型线不变的前提下弹簧厚度加大，轴向刚度和径向刚度增大，可提供的行程减小，因此，当弹簧外径和接口尺寸受限，同时制冷机需要提供较大的径向刚度、轴向刚度和大的活塞行程时，单一改变弹簧厚度就不能满足性能的需求，从而改变型线成为一种有效的方法。

阿基米德螺线又称等速螺线，其极坐标方程为：

r＝a+bθ

其直角坐标方程为：

x＝(R+Vθ)cosθ

y＝(R+Vθ)sinθ

为解决上述问题，有中国专利201010225430.5公开了一种柔性弹簧，以费马曲线方程确定型线且型线共有三条，通过调整涡旋槽型线起始发生角和略角控制型线起始位置和终了位置，通过改变涡旋槽型线起点半径和涡旋系数控制型线形状。该发明涡旋槽封闭方法使用圆弧过渡，但设计方法复杂且封闭型线偏向一侧，其轴向刚度、径向刚度不足，而且不便于机械加工；也有中国专利201420814666.6公开了一种板弹簧，其具有两条弹性臂，型线由若干对同心圆弧或偏心圆弧相切而成，两种圆弧由内向外半径逐渐增大，且其圆心均在同一条直线上。该板弹簧的缺点是：型线由多条同心圆弧和偏心圆弧组成，且圆弧间要保证相切过渡，所以型线表达和设计复杂，机械加工困难。因此，本领域渴望开发一种型线表达和设计简单的阿基米德螺线板弹簧，易于机械加工，同时满足具有一定径向刚度、轴向刚度的、自然频率和疲劳强度的应用需求，将具有良好的应用前景和经济价值。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种型线表达和设计简单的阿基米德螺线板弹簧，易于机械加工，同时满足具有一定径向刚度、轴向刚度的、自然频率和疲劳强度的应用需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种阿基米德螺线板弹簧，包括设定基圆的圆形板材和设置于所述板材上围绕所述基圆设置的四条涡旋臂、四条涡旋槽，其特征在于：四条所述涡旋槽围绕基圆呈90°角对称分布，所述涡旋槽型线为封闭结构设置，所述涡旋槽型线的中心线由阿基米德螺线方程： r＝a+bθ确定，其中：a、b为常数，a用于调整偏离涡旋线极点的距离，b用于调整型线扩张的速度；r为极径；θ为极角。

作为优选方案，所述涡旋槽型线的中心线旋转角为360°～450°；所述基圆直径为4～14mm；所述涡旋槽型线的中心线螺距为17～23mm；所述涡旋槽槽宽为0.5～3mm；所述涡旋槽型线的中心线外径为60～75mm。

作为优选方案，所述涡旋槽型线包括对应所述涡旋槽型线的中心线设置的涡旋内型线 L1和涡旋外型线L2，由所述涡旋内型线L1和所述涡旋外型线L2限定所述涡旋槽的槽宽。

作为进一步优选方案，所述涡旋槽型线还包括光滑过渡的起始端型线和终了端型线，用于防止非平滑过渡引起的应力集中，提高板弹簧的使用寿命。

作为进一步优选方案，所述涡旋槽的起始端型线为以所述涡旋槽的槽宽为直径的半圆圆弧。

作为进一步优选方案，所述涡旋槽的终了端型线包括两段不同弯曲方向且相切的圆弧 AB和圆弧AC，所述圆弧AB和所述圆弧AC分别外切于所述涡旋内型线L1和所述涡旋外型线L2。

作为进一步优选方案，所述圆弧AB直径为所述涡旋槽槽宽的1.5～2倍，所述圆弧AC 直径为所述涡旋槽槽宽的0.5～0.7倍。

作为优选方案，还包括在所述板材中心位置开设的中心孔，所述中心孔作为连接孔，例如可用于与活塞轴连接，以实现板弹簧与活塞轴一起往复运动并支撑活塞，保证活塞与气缸的间隙密封。

作为优选方案，在所述板材外缘上均布设有数个安装孔，所述安装孔的数量可以为4 个、6个或8个，所述安装孔可用于将板弹簧固定在应用设备上的弹簧基座上，并限制板弹簧的自由度，保证其支撑作用的稳定性。

作为优选方案，在所述板材上设置的四条所述涡旋槽经激光切割、冲压成型、等离子切割或化学蚀刻技术加工制得。

作为优选方案，所述板材的材质为阀片钢(Flag-X，UHB SS716，UHB 20C)或马氏体不锈钢(7C27Mo2)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述阿基米德螺线板弹簧通过将涡旋槽对称分布设置，使得板弹簧具有较大的径向刚度和合适的轴向刚度；通过构造新型的阿基米德螺线，封闭端光滑过渡，利用板弹簧的两臂分散所受应力，使应力更均匀地分布在弹簧臂上，进一步提高了弹簧的可靠性，极大提高了线性压缩机的使用寿命和可靠性，同时满足自然频率和疲劳强度的使用需求，型线表达和设计简单，易于机械加工；另外，本发明型线对起始端型线和终了端型线的封闭方式要求不高，不同封闭方式对板弹簧应力分布影响不大，具有明显的进步性和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种阿基米德螺线板弹簧的平面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的涡旋槽的终了端型线封闭方式示意图；

图3为本发明实施例提供的涡旋槽的起始端型线封闭方式示意图。

图中标号示意如下：1、涡旋臂；2、涡旋槽；21、涡旋内型线L1；22、涡旋外型线 L2；23、起始端型线；24、终了端型线；241、圆弧AB；242、圆弧AC；3、中心孔；4、安装孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1至图3所示，本实施例提供的一种阿基米德螺线板弹簧，包括设定基圆的圆形板材和设置于所述板材上围绕所述基圆设置的四条涡旋臂1、四条涡旋槽2，四条所述涡旋槽2围绕基圆呈90°角对称分布，所述涡旋槽2型线为封闭结构设置，所述涡旋槽2型线的中心线由阿基米德螺线方程：r＝a+bθ确定，其中：a、b为常数，a用于调整偏离涡旋线极点的距离，b用于调整型线扩张的速度；r为极径；θ为极角；通过将涡旋槽2对称分布设置，局部应力小且应力分布均匀，使得板弹簧具有较大的径向刚度和合适的轴向刚度，能够保证活塞与气缸之间的间隙密封，减少两者之间的摩损，增加线性压缩机的稳定性。

在本实施例中，所述涡旋槽型线的中心线旋转角为360°～450°；所述基圆直径为4～ 14mm；所述涡旋槽型线的中心线螺距为17～23mm；所述涡旋槽2槽宽为0.5～3mm；所述涡旋槽型线的中心线外径为60～75mm。

在本实施例中，所述涡旋槽型线包括对应所述涡旋槽型线的中心线设置的涡旋内型线 L121和涡旋外型线L222，由所述涡旋内型线L121和所述涡旋外型线L222限定所述涡旋槽2的槽宽，如图2、图3所示。

为了防止非平滑过渡引起的应力集中，提高板弹簧的使用寿命，所述涡旋槽型线还包括光滑过渡的起始端型线23和终了端型线24。

所述涡旋槽2的起始端型线23为以所述涡旋槽2的槽宽为直径的半圆圆弧，如图2所示。

所述涡旋槽2的终了端型线24包括两段不同弯曲方向且相切的圆弧AB 241和圆弧AC 242，所述圆弧AB 241和所述圆弧AC 242分别外切于所述涡旋内型线L121和所述涡旋外型线L222，所述圆弧AB 241直径为所述涡旋槽2槽宽的1.5～2倍，所述圆弧AC 242直径为所述涡旋槽2槽宽的0.5～0.7倍，如图3所示。

考虑到连接的密封性，在本实施例中，还包括在所述板材中心位置开设的中心孔3，所述中心孔3作为连接孔，例如可用于与活塞轴连接，以实现板弹簧与活塞轴一起往复运动并支撑活塞，保证活塞与气缸的间隙密封，如图1所示。

考虑到支撑作用的稳定性，在本实施例中，在所述板材外缘上均布设有数个安装孔4，所述安装孔4的数量可以为4个、6个或8个，所述安装孔4可用于将板弹簧固定在应用设备上的弹簧基座上，并限制板弹簧的自由度，以此保证其支撑作用的稳定性，如图1所示。

考虑到加工便利性，在所述板材上设置的四条所述涡旋槽2可以经激光切割、冲压成型、等离子切割或化学蚀刻技术加工制得。

在本实施例中，所述板材的材质为阀片钢(Flag-X，UHB SS716，UHB 20C)或马氏体不锈钢(7C27Mo2)。

综上所述，本实施例所述阿基米德螺线板弹簧通过将涡旋槽对称分布设置，使得板弹簧具有较大的径向刚度和合适的轴向刚度；通过构造新型的阿基米德螺线，封闭端光滑过渡，利用板弹簧的两臂分散所受应力，使应力更均匀地分布在弹簧臂上，进一步提高了弹簧的可靠性，极大提高了线性压缩机的使用寿命和可靠性，同时满足自然频率和疲劳强度的使用需求，型线表达和设计简单，易于机械加工；另外，本发明型线对起始端型线和终了端型线的封闭方式要求不高，不同封闭方式对板弹簧应力分布影响不大，具有明显的进步性和应用价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。