[发明专利]结合式螺旋压缩弹簧

说明书

技术领域

本发明针对一种压缩弹簧，其具有增加的刚度。特别地，本发明针对一 种结合式压缩弹簧，其可用塑料打印或模制。

背景技术

由于它们的动态和力学性能，弹簧被广泛地用于许多行业中。例如，大 型弹簧用于汽车行业中，或者小型弹簧用于较小的电子和/或机械装置中。考 虑到它们制造的质量、刚度、强度及它们可被大规模生产的能力，钢弹簧 (steelsprings)经常地被使用。然而，钢弹簧往往相对较重并且它们的重量 在某些应用中是不利的。例如，在如汽车、飞机和火车车厢的应用中，减轻 不同部件的重量以减轻设备的整体重量是至关重要的。钢弹簧的其它缺点是 它们具有有限的耐腐蚀性、疲劳强度、具有高热膨胀系数、具有磁性并且是 导电的。此外，由于疲劳损坏金属弹簧的振动能力和耐久性限制了这些机器 运行而没有金属弹簧更换的时间和频率的长度。

钢弹簧的一些缺点的一种解决方法是由复合材料制成单螺旋弹簧。由复 合材料制成的单螺旋弹簧已开发利用塑料材料轻质特点的优势。然而，这些 类型的弹簧未能提供足够的刚度来代替钢弹簧。单螺旋弹簧是扭杆绕成螺旋 形式，扭杆的刚度由材料的弹性剪切模量决定。由于复合材料的剪切模量小 于钢的剪切模量，复合材料单螺旋弹簧的刚度远小于钢制单螺旋弹簧的刚 度。

还已知的是金属多波形压缩弹簧(metalmulti-wavecompressionspring)。 就其本质来说波形弹簧易于疲劳失效。弹簧被反复伸缩并且弹簧的每一圈的 横截面一般为薄的，弹簧常常被受压至可能的最高极限。波形弹簧通常由硬 化和回火金属制成，其中金属被塑性变形以生成波形。这种变形在波形的不 同表面内具有残余压应力和拉伸应力。加载后，残余应力增加施加在弹簧上 的有效的应力。除了弹簧的疲劳寿命的特性外，由残余应力和施加的应力共 同引起的载荷可能超过材料的屈服强度并导致弹簧的灾变性失效 (catastrophicfailure)。

与金属波形压缩弹簧相关的另一问题是通常用于成形弹簧的方法。为了 制造多波形压缩弹簧，金属丝通常被边缘绕成弹簧的圆形结构。由于边缘绕 制导致的材料扭曲，在多波形弹簧相邻的层上的波峰和波谷之间的接触区域 没有在平行面之间，相反层在一点接触。更特别地，边缘绕制的钢或金属多 波形压缩弹簧从弹簧的纵轴径向向外的方向上不是均匀一致的平面。结果， 仅每个波峰和波谷的外边缘在一点接触。在每个相邻的波峰和波谷的点载荷 形成大的点载荷接触应力，其在弹簧的外边缘上。在重复和连续的弹簧的加 载过程中点接触造成相邻的波峰和波谷之间的摩擦。在波峰和波谷之间的点 接触生成的摩擦导致在弹簧丝表面的磨损。点摩擦或磨损降低了疲劳寿命并 生成尖锐的边缘。尖锐的边缘增加了大的应力集中系数进一步恶化了接触区 域并最终在弹簧内生成裂纹萌生部位，其可能导致灾变性失效。

与金属多波形压缩弹簧相关的另一问题是弹簧响应的非线性。金属弹簧 的相邻波峰和波谷之间的点接触和通常用于这种弹簧的制造方法的影响导 致线性弹簧刚度在很窄的挠度范围内或者非线性弹簧响应在更大的挠度范 围内。本文涉及的“线性”弹簧响应、弹簧常数或弹簧刚度表示施加的力的 恒定的增量导致弹簧挠度的恒定增量。

与金属多波形弹簧相关的另一问题是滞后现象。滞后现象是当弹簧被加 载时与当加载被移除时相比弹簧的力/挠度的曲线的差别。大的滞后现象导致 不一致的弹簧性能，特别在高频加载和卸载条件下。

长期已知的是使用复合材料作为金属板簧和金属卷簧的代替品。复合材 料的使用提供金属弹簧的轻质替代品。然而，部分地由于波形的特点和与波 形相关的成形需求，复合材料的益处在多波形压缩弹簧的使用中并没有完全 实现。将波形成形到固化复合丝层或卷簧内是不切实际的并且将导致复合材 料的纤维和/或树脂基的裂纹、断裂或失效。而且，即使固化复合丝如金属丝 一样可被边缘绕制，波峰和波谷将仍将是倾斜的，造成点接触和相应的所有 缺陷。

另外，就其本质而言多波形弹簧在波峰和波谷界面处具有大量的接触和 /或摩擦。多波形弹簧能够在各种各样的环境和条件下使用，包括工业和汽车 应用，其是非无菌的、脏的并具有许多颗粒污染物。这些脏的颗粒和其它的 污染物影响波峰和波谷的界面和切割、降解或否则损伤复合材料，特别是纤 维。

因此，需要的是，一种能够为多种应用提供足够刚度的轻质压缩弹簧。 进一步需要的是，一种具有改进的耐疲劳性和腐蚀性的弹簧。