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《黑龍江科技信息雜志》2014年第十七期

1渦卷彈簧的創新設計方法

渦卷彈簧的特點是與力矩與轉角成正比，而重力產生的力矩為重力與臂長余弦的乘積，為了簡化問題，我們采用最大力矩來作為計算的依據。首先我們采用的設計方法是根據JB/T7366-1994，按照給定的基本參數，寬度為20mm，厚度為3mm，最大外圓直徑為60mm，最終的計算結果為展開長度為140mm（計算過程略），而彈簧的最大圓周的周長約為180mm，也就是說，彈簧的纏繞長度為3/4,彈簧無法實現。在此情況下，我們使用了非常規的方法，決定使用有限元分析，改變彈簧參數，逐步擬合的方式，希望能夠找到一個可行的解決方案。

Solidworks軟件自帶了有限元分析模塊，我們首先設計了彈簧的基本參數進行分析。網格的劃分采用軟件自動劃分，固定端為渦卷彈簧的內部端，受力端為外部端，因為直線和平面上只能施加力和壓力，無法直接施加力矩，如果加力過大話，由于與實際需要分析承受力矩情況不相符，我們在受力端給出1牛頓的力圖1，基于平面渦卷彈簧變形角的大小與扭矩成正比的思想，計算得出在最大運動范圍的時候的最大力矩。經過參數的多次優化，最終結果如圖1所示，應力圖見圖2，應變圖見圖3，按照應力需要，選擇材料為60Si2Mn。

2渦卷彈簧的加工

2.1卷繞加工。由于彈簧的鋼板較厚，實驗所需單件生產的加工難度比較大，彈簧的設計為比較極限的狀態，應力的裕量很小，采用常規的卷繞加工成型的方法加工以后，如果材料，熱處理等處理不好，將導致彈簧的失敗。

2.2線切割。另外一種方案采用線切割的方式進行實驗，材料采用60Si2Mn，線切割原始尺寸準確，成型后的外觀效果較好，熱處理溫度不當會導致碎裂，或者導致塑性變形無法恢復，熱處理適當的時候會有比較好的效果。

2.3采用其他材料的探討。鈹青銅是一種含鈹銅基合金（Be0.2～2.75%wt%），在所有的鈹合金中是用途最廣的一種，其用量在當今世界已超過鈹消費總量的70%。鈹青銅是沉淀硬化型合金，固溶時效處理后具有很高強度、硬度、彈性極限和疲勞極限，彈性滯后小。鈹青銅從材料特性上來講都是比較優秀的平面渦卷彈簧的材料選擇，但是由于材料的特殊性，使用較少，達到材料的最佳性能的工藝手段復雜，對這兩種材料僅進行了初步的研究。

3使用

最終應用在機械臂上的彈簧為采用60Si2Mn，線切割加工后，經熱處理完成的成品，在幾個月的使用過程當中，當需要進行手動拖動的時候，人感覺比較輕松，在工作范圍內，基本可以達到靜力平衡，重力產生的力矩與彈簧回復力矩之間的差值，由于摩擦等情況的存在，沒有明顯感覺，但對其長期使用的可靠性和穩定性，仍需要進一步研究。

4結論

將渦卷彈簧安裝在機械臂的關節處，對機械臂的重力產生的力矩進行平衡，具有明顯的優點，但是在渦卷彈簧的設計和加工的過程當中，仍有很多課題需要解決，包括設計的方法，材料的選擇，加工工藝的控制，以及加入了彈性元件以后對于動態響應的影想的克服，這些都限制了該技術的發展，相信通過更多的人的研究和努力，一定會使平面渦卷彈簧重力平衡技術和其他蓄能平衡技術得到更廣泛的應用。

作者：王建國單位：哈爾濱思哲睿智能醫療設備有限公司