扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

陜西凌云電器集團(tuán)有限公司 孫 飛

?

扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

陜西凌云電器集團(tuán)有限公司 孫 飛

【摘要】本文以某型機(jī)載設(shè)備天線中的扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)為例，按照彈簧工作方式進(jìn)行理論計(jì)算，提出了設(shè)計(jì)合用可靠的彈簧零件的方法，從而使設(shè)備和天線得以在空間非常緊張航空器吊艙內(nèi)安裝，并且保證使用要求。

【關(guān)鍵詞】彈簧；機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)計(jì)算

引言

航空無線電電子設(shè)備空間相對(duì)緊湊，而機(jī)構(gòu)往往又需要占據(jù)相對(duì)較大的空間，因此對(duì)機(jī)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)計(jì)算既能夠既滿足使用要求又可使之得以精簡(jiǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過類比或應(yīng)用簡(jiǎn)單有限的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。為了保證回彈力矩、疲勞強(qiáng)度等要求，往往留有過大的余量。這樣的設(shè)計(jì)雖也能滿足要求，但其結(jié)果常常是設(shè)備臃腫，系統(tǒng)龐大，或是彈簧在多次壓縮和釋放后達(dá)到疲勞強(qiáng)度極限。而后更改設(shè)計(jì)和再次試驗(yàn)，直到滿足要求，需要多次反復(fù)。

本文通過介紹一種扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考，在壓縮彈簧或拉伸彈簧等彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，亦可參考。

1　彈簧工作情況

某天線為半波偶極子全向天線，裝機(jī)時(shí)需要豎直安裝于無人機(jī)機(jī)頭部位，而無人機(jī)裝于無人機(jī)吊艙內(nèi)。吊艙空間有限，無法豎直安裝天線，因此設(shè)計(jì)彈簧機(jī)構(gòu)。無人機(jī)在吊艙內(nèi)放置時(shí)天線折下節(jié)約空間，釋放飛行后，天線自動(dòng)彈起到工作的豎直位置。

根據(jù)彈簧機(jī)構(gòu)夾持的幾何尺寸關(guān)系，需要設(shè)計(jì)的彈簧有2種工作狀態(tài)：

1）裝入吊艙時(shí)，彈簧由自由狀態(tài)的輪廓角120°壓縮至29°，此時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角為91°，即最大變形角為91°（120°-29°）。

2）脫離吊艙后，天線處于豎直向上狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角減小，減小量為61°（90°-29°），對(duì)應(yīng)最小扭轉(zhuǎn)變形角為30°（120°-90°）。

除了這兩種工作狀態(tài)以外，還需考慮彈簧的極限破壞情況，也就是當(dāng)扭矩增大到一定程度時(shí)，彈簧到達(dá)許用彎曲應(yīng)力極限從而導(dǎo)致?lián)p壞。

天線的工作情況如圖1所示。

圖1　天線彈簧工作示意圖

2　彈簧設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1彈簧材料

根據(jù)使用情況，彈簧材料選用GB4375-1989規(guī)定的70#碳素彈簧鋼絲。它分為B、C、D三級(jí)，由于此天線的重量很輕（約0.3kg），故選取B級(jí)，用于制作低應(yīng)力彈簧。

2.2材料性能

1）GB4375-1989規(guī)定的碳素彈簧鋼絲的性能與簧絲直接相關(guān)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選取使用直徑d=0.8mm的簧絲，它的參數(shù)如下：?jiǎn)挝籑Pa（1N/mm2）

d=0.8mm 1710～2060 取均值1885

注：*要求鋼絲表面光滑、不得有裂紋、折疊、起刺、銹蝕等其他有害缺陷；

**要求對(duì)直徑小于等于6mm的鋼絲應(yīng)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。直徑小于等于2mm，B、C級(jí)扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于20次。在規(guī)定扭轉(zhuǎn)次數(shù)內(nèi)扭轉(zhuǎn)后，表面不得有肉眼可見的裂紋和分層。

a）彈簧的負(fù)荷

彈簧的負(fù)荷分為三類：

Ⅰ類受變負(fù)荷作用，次數(shù)在100000次以上，

Ⅱ類受變負(fù)荷作用，次數(shù)在1000～100000次，或沖擊負(fù)荷，

Ⅲ類受變負(fù)荷作用，次數(shù)在1000次以下，

考慮本彈簧實(shí)際工作情況，它的載荷性質(zhì)屬于Ⅲ類。

3）剪切彈性模量G

當(dāng)0.5≤d≤4 G=81.5～78.5 GPa

4）彈性模量E

當(dāng)0.5≤d≤4 E=204～202 取 203 GPa 5）制成彈簧推薦使用溫度 -40～120℃

2.3相關(guān)計(jì)算與選擇

考慮整個(gè)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，我們?cè)O(shè)計(jì)出彈簧的有效圈數(shù)，選取合適的彈簧中徑和簧絲直徑后，必須計(jì)算彈簧在2個(gè)工作位置和到達(dá)極限應(yīng)力位置時(shí)所受到的扭矩。通過計(jì)算校核保證彈簧的受力情況在允許的應(yīng)力范圍內(nèi)，從而滿足使用要求又安全可靠。

項(xiàng)目 單位 公式及數(shù)據(jù)

彈簧中徑D mm 6

簧絲直徑d mm 0.8

旋轉(zhuǎn)比C C=D/d=7.5

根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，可選取彈簧有效圈數(shù)n=6圈。

17.75在6.7～33.5取值范圍內(nèi)，說明天線在工作狀態(tài)（豎直）下，彈簧扭轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)在最小工作扭矩合理要求之內(nèi)。

校核三個(gè)工作點(diǎn)處斜率 116.65/68.94=1.692

91/53.85=1.690

30/17.75=1.690

三個(gè)工作點(diǎn)基本一致，線性度較好。

簧絲間距 取δ=01mm

圖2　彈簧工作圖

3　彈簧的穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度及共振計(jì)算

本彈簧屬于Ⅲ類載荷彈簧，設(shè)計(jì)時(shí)各參數(shù)滿足彈簧工作線性關(guān)系，彈簧始終工作在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，故不必進(jìn)行疲勞強(qiáng)度及共振計(jì)算。其細(xì)長(zhǎng)比，故不必驗(yàn)證穩(wěn)定性。

4　結(jié)果分析

至此，彈簧設(shè)計(jì)校核結(jié)束，彈簧工作圖如圖2所示。

本彈簧為冷卷直臂扭轉(zhuǎn)彈簧，最終彈簧零件見圖3。

彈簧材料 70#碳素彈簧鋼絲 B級(jí)

外形尺寸 外徑φ=6mm

簧絲直徑 d=0.8mm

扭轉(zhuǎn)范圍 0～120°，最小變形角30°，最大變形角91°

圖3　彈簧零件圖

5　結(jié)束語

本文針對(duì)某天線的安裝問題，提出了一種彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核方法，實(shí)現(xiàn)了在空間不足時(shí)設(shè)備在吊艙內(nèi)的安裝。目前航空無線電電子設(shè)備正在向集成化、模塊化的方向高速發(fā)展，在有限的設(shè)備空間內(nèi)恰當(dāng)?shù)氖褂脵C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高安裝空間。經(jīng)過實(shí)踐，用此方法設(shè)計(jì)校核的彈簧機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定可靠，在設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。