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1、第 31 卷 第 8 期增刊 仪 器 仪 表 学 报 Vol.31 No.8 2010 年 8 月 Chinese Journal of Scientific Instrument Aug. 2010 斜圈弹簧的实验研究及初步设计 刘三星 张焕亮 袁 鸿 （暨南大学重大工程灾害与控制教育部重点实验室 应用力学研究所 广州 510632） 摘 要：斜圈弹簧由于其独特的结构，作为连接件在电力行业有广泛应用。该弹簧的生产制造系国外的专利技术，国内目前尚无成熟的生产工艺， 并且该弹簧进口单价较高， 因此斜圈弹簧的研发同时具有理论和实用价值。 为了测试弹簧的力学性能，在 MTS 机上对两种不同规格的弹簧
2、样品进行了准静态压缩试验。 实验结果表明： 两种不同规格的弹簧的载荷位移曲线均明显分为三个区间，其中中间一段近似为一平台，这一特点明显不同于常见的正圈弹簧。根据样品的几何特征建立了相应的参数方程，运用三维制图软件绘制了斜圈弹簧模型。在此基础上运用 ANSYS 进行了有限元静力分析，得到了弹簧在并圈前的载荷位移曲线。与实验结果相比，两者在数值上存在一定偏差，变化趋势基本一致，都反映了斜圈弹簧独特的力学性能。 关键词：斜圈弹簧；倾角；平台；参数方程；有限元 Experimentation and preliminary design of canted coil spring Liu Sanxin
3、g Zhang Huanliang Yuan Hong (MOE Key Lab of Disaster and Control in Engineering, Instuute of Applied Mechanics, Jinan University, Guangzhou 510632, China) Abstract: Because of its particular structure,canted coil spring is widely used in electric industry as connecting piece.As proprietary technolog
4、y has been patented abroad ,at present ,there is not dependable manufacturing technique at home and it is high in price to import,therefore research for the spring has both practical and academic value. In order to measure its mechanical property, two samples with different size are measured on MTS
5、equipment. Experiments show that the curve of load versus displacement ,two samples are similar,both of them could be clearly divided into three phases,among which the middle one is approximate a plateau, it is obviously different from ordinary spring. Corresponding parameter equation is established
6、 according to its geometry, 3D visual graph is used to draw soild CAD model. On this basis, ANSYS software is used to simulate the deformation under static load, the curve of load versus displacement before self-contact is obtained. Compared with the experimental results, there exists a certain devi
7、ation. However, the curve trend is consistent and they all reflect the unique mechanical properties of the conted coil spring. Key words: canted coil spring；obliquity；plateau；parameter equation；finite element 1 引 言 机械设备中连接件结构性能的稳定性和可靠性 一直是工程界关注的一个重点，斜圈弹簧由于线圈 尺寸小，数量多，有很高 的通流能力和很好的技 术经济性1，从而使斜圈弹簧特别适用于
8、连接件的 设计。只要存在接触连接的地方都可以考虑斜圈弹 簧的应用。 斜圈弹簧在大范围的饶性偏差情况下仍能够 保持一个几乎恒定的力，这使弹簧不会有太大的变 形，并能够补偿大面积的结合公差及表面不平，斜圈弹簧同时能够承受压缩变形，这使其在冲击、震 动和恶劣环境下仍旧能够保证顺利运行。 文献2讨论了论了触头座沟槽尺寸、 极限圈数 和额定圈数的计算方法,并通过对部分产品实验数 据的分析,得出了触头通流能力、接触压力和接触 电阻与热稳定核算的方法。 文献3在弹簧触头的规范化和标准化设计方面进行了有益的讨论，然而现 有的研究都基于近似的经验公式或实验手段，缺乏 系统性，对斜圈弹簧最初的设计和力学性能方面的
9、 研究还比较少见。 斜圈弹簧按其结构特点分为径向和轴向两种，202第 8 期增刊 刘三星 等：斜圈弹簧的实验研究及初步设计 分别如图 1 和图 2 所示，其中径向线圈弹簧的压缩 力方向沿着圆圈的半径（与中心线垂直） ，一般用 于连接件，而轴向线圈弹簧的压缩力方向沿着圆圈 （与中心线平行）一般作为密封圈使用。 斜圈弹簧可能的制作方法有三种：第一种是先 绕制成直线长度的斜圈弹簧，如图 3 所示，然后通 过折弯并焊接称为环形。第二种是直接在环形模具 上绕制成斜圈的环形弹簧。第三种做成正圈的环形 弹簧后通过沿弹簧周向方向的转动和径向方向的 挤压使之成型为斜圈的环形弹簧。第三种虽然制作 工艺相对简单，然
10、而弹簧线圈的均匀性不易控制，因而质量难以保证，在国内的一些仿制品可以见到。第二种从生产成本和工艺的复杂性角度考虑也不宜采用。因此实际生产中一般采用第一种制作方法，在具体研究中直线长度的斜圈弹簧应为研究的重点。斜圈弹簧的横截面为椭圆，工作时短轴方向受压，其结构的一个重要特点是在沿轴向绕制时上升和下降过程交替进行，除了具有一般正圈弹簧（如图 4）的升角4外，还具有渐变的倾角，正是由于这种独特的结构使得斜圈弹簧具备优良的力学性能，下面将对其进行实验和有限元分析。 图 1 径向弹簧 图 2 轴向弹簧 图 3 直线斜圈弹簧 图 4 直线正圈弹簧 表 1 实验所用样品的具体规格 短轴（mm） 长轴（mm）
11、轴向长度（mm）倾角（）间距（mm） 线径（mm） 样品 1 11.2 12.87 60 24 3.54 1.53 样品 2 7.95 8.36 68 18 1.55 0.8 2 准静态实验结果及分析 为了分析直线长度的斜圈弹簧的力学性能，取 两种不同规格的样品在 MTS 上进行准静态压缩试 验。实验方案：沿短轴方向施加位移载荷，加载速 率为 1mm/min，且每加载一分钟后维持一分钟。每个规格的样品都进行三次同样的实验。 从图 5 至图 8 可以观察到试件 1 在实验过程中 的变形特点，由于试件放置在加载平台上容易向单 侧倾斜，在开始加载时为了控制位移载荷的方向需 人为加以矫正（图 5） 。
12、由三次实验所得样品 1 的载 荷位移曲线如图 9 所示。从所得曲线发现：斜圈弹203第 31 卷 仪 器 仪 表 学 报 簧在垂直于轴线方向（水平方向）受压时，所得载 荷与位移关系曲线大致可以分为三个阶段：开始加 载后较短时间内的上升阶段，然后出现的平台阶 段，最后再次出现的上升阶段。通过实验观测到， 在载荷与位移曲线出现第三个阶段时，弹簧出现了 并圈现象，说明曲线在平台区之后再次出现的上升 阶段是由弹簧的并圈引起的。 图 5 开始加载 样品 2 由实验所得的载荷位移曲线如图 1 所 示，对比图 9 可知样品 2 的载荷位移曲线和样品 1 类似，也呈现三个明显的阶段，不同的是样品 2 平 台载
13、荷水平有所降低，可能与线径的减小有关。 图 6 加载过程中 图 7 弹簧左端部分线圈已脱离试验机圆盘 图 8 加载过程中出现并圈 图 9 样品 1 载荷位移曲 图 10 样品 2 载荷位移曲线 3 几何模型的参数方程 通过对斜圈弹簧自身结构特点的分析并与正 圈弹簧5进行比较，在直角坐标系下得到以下描述 斜圈弹簧几何特征的参数方程： cos 360sin 360sin 360xantybntzltcnt （1） 204第 8 期增刊 刘三星 等：斜圈弹簧的实验研究及初步设计 式（1）中，a，b分别是椭圆的两个半轴长， 具体取值依长短轴所在方向而定，l是斜圈弹簧沿 轴向的长度，c用来调节倾角（斜度
14、） ，n是弹簧的 圈数，取正整数，t是一个在 0 和 1 之间连续变化 的参数。式（1）中并没有具体的参数来表示线径， 这个问题可以在绘制三维实体时得以解决，在得到 式（1）的基础上，运用三维制图软件中的可变剖 面扫描功能就可以得到类似于图 3 和图 4 所示的实 体几何模型，在这个过程需要输入扫描所用的横截 面的直径即为线径。 斜圈弹簧的倾角是其最重要的参数，由于弹簧 几何特征的周期性，倾角也在做周期性变化，这里给出弹簧在一个周期 （1/tn） 倾角()的计算公 式： tan/dz dy（2） 将式（1）中代入式（2）得： 360cos(360)tan360cos(360)ln cn t n
15、 bn t sec(360) 360cln t bn b （3） 将（3）式在一个周期内积分后取平均值 10sec(360)tan360ncln tcndtbn bb （4） 上式中规定短轴落在y方向。 4 对参数方程建立的模型的有限元分析 利用式（1）所示的参数方程可先在 PRO/E 软件中建立几何模型，然后导入到 ANASYS 中进行有限元分析。通过前面的实验结果可以发现，弹簧在压缩变形过程中呈现出三个阶段，其中前两个阶段弹簧无并圈现象发生。下面运用 ANSYS 软件来模拟实验的前两个阶段。 4.1 有限元模型的建立 通过给出的参数方程，结合实验所测样品 1 的数据根据式(4)确定c值，从而得到了下面的具体方程： 6.45 cos 360 175.6 sin 360 17602.5 sin 360 17xtytztt （5） 通过 PRO/E 软件建立模型后导入 ANSYS 中，对其 进行网格划分，所得到有限元模型如图 11 所示。 本文在有限元分析中，采用变截面梁单元 （BEAM44）划分单元
