電池彈簧的設(shè)計(jì)與制造

在設(shè)計(jì)中改用塑料制作塑料彈簧能夠電池彈簧簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省費(fèi)用，但不能簡單地套用金屬彈簧的設(shè)計(jì)方法。一般來說，塑料只能用于不需瞬時(shí)恢復(fù)的彈簧。塑料彈簧最好是間歇工作，即彈簧產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)電池彈簧間規(guī)定的力，而其他時(shí)間處于松弛狀態(tài)。塑料彈簧的彈性恢復(fù)時(shí)間應(yīng)至少等于處于載荷下的時(shí)間。

塑料彈簧的應(yīng)用并未因此而受到限制，因電池彈簧為大多數(shù)彈簧都是非連續(xù)使用的。在著手塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這個(gè)問題。雖然如此，塑料彈簧在某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是非常成功的，例如，轉(zhuǎn)鎖中的彈簧只用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力。圖1 所示的鎖扣，僅靠彈簧實(shí)現(xiàn)鎖緊和松開，在這種情況下采用塑料彈簧是十分合理的。

1 塑料彈簧的優(yōu)勢

金屬的特性對塑料來說是不可比擬的電池彈簧。例如，鋼的彎曲模數(shù)是常用注塑成型塑料彈簧的30到100倍。 可是，塑料彈簧有其特定的應(yīng)用空間，它與金屬彈簧相比其優(yōu)點(diǎn)如下：

＊　零件整體化：在這一點(diǎn)上可與金屬彈電池彈簧簧競爭，金屬彈簧與塑料彈簧存在著整合性差別。也就是說，設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)造性地使用塑料彈簧。零件整體化意味著結(jié)構(gòu)簡化，易于安裝、成本更低，重量更輕。


＊　可回收性：帶有金屬彈簧的零件，如果電池彈簧質(zhì)量、規(guī)格不合格，常常會(huì)報(bào)廢。塑料彈簧允許全部零件回收利用。

＊　耐腐蝕，“不生銹”。

＊　自然光順，具有模塑上色電池彈簧的便利。

＊　相對機(jī)械加工來說制造成本降低。

1.1 彈簧及其蠕變

對于塑料制造的彈簧，要注意金屬和塑料的電池彈簧彎曲模數(shù)的差異。可供選擇的樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚脂、ABS、尼龍和硫化聚乙烯。材料的回彈性是重要的選擇因素。

比起金屬來，用最好的樹脂做的彈簧在電池彈簧持續(xù)載荷下會(huì)很快老化失效。乙�；�聚合物��1000小時(shí)（大約6周）后失去原有彈力的50%，10,000小時(shí)后（大約1年），失去原有彈力的60%，而100,000小時(shí)后（大約11年）失去原有彈力的三分之二[2]。

通常，結(jié)晶乙酰基和硫化聚苯撐比聚乙電池彈簧烯和ABS有更好的抗蠕變性。如果模具溫度過低的話，在注塑成型過程的最后階段，結(jié)晶材料的蠕變率將顯著上升。

1.2 材料的選擇

彈簧的材料選擇取決于所需要的特性。需電池彈簧考慮的因素有抗蠕變性、載荷、疲勞極限和耐化學(xué)侵蝕性。乙酰基聚合物是最常用的材料。其它可用材料及它們的特性如下：

l 聚乙烯和聚丙烯便宜，但拉伸恢復(fù)性差，抗電池彈簧蠕變性差。它們只能用于短期負(fù)荷，其疲勞響應(yīng)中等，但抗化學(xué)侵蝕性好。

l �；�共聚物較昂貴，但持續(xù)載荷特性好、抗電池彈簧蠕變性好，但它不適合在小于4PH值的酸性環(huán)境下工作。

l 線性硫化聚亞苯基材料比乙�；�共聚物更��，更適合高負(fù)荷、小位移的應(yīng)用。它有好的抗蠕變性、好的抗疲勞特性，并能在電池彈簧高溫下保持其韌性。當(dāng)它暴露在化學(xué)侵蝕條件下也能長期正常的工作。

l 尼龍?jiān)诟稍飾l件下比較耐磨，但當(dāng)它暴露電池彈簧在50%的相對濕度下時(shí)，其剛性下降達(dá)25%。

l 對于簡單、偶爾使用的彈簧來說，選用AB電池彈簧S是合適的，但其抗蠕變性較差。

在材料中使用填充物可改善彈簧的特性。在材料中填充玻璃纖維增加了剛性和強(qiáng)度，但其撓度受到限制。 環(huán)境溫度也影響塑料彈簧的電池彈簧性能。多數(shù)塑料在室溫下特性最好，環(huán)境溫度越高彈簧的材料越電池彈簧接近軟化點(diǎn)。

此外，要考慮防紫外線問題。如果塑料彈簧安裝在產(chǎn)品內(nèi)部，或者安裝在背光處，可以避免紫外線輻射引起的塑料老化問題。對那些戶外使用的產(chǎn)品，例如園林工具和體育運(yùn)動(dòng)設(shè)備，紫外線的照射可以破壞彈電池彈簧簧功效。 在這種條件下，必須根據(jù)材料的抗紫外線典型數(shù)據(jù)決定所選材料能否在紫外線暴露下工作。

2 板型塑料彈簧的設(shè)計(jì)

在通常的機(jī)械設(shè)計(jì)中，金屬彈簧往往是一個(gè)電池彈簧獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)零件。制造彈簧的材料與其它裝配零件的材料有所不同，不論是螺旋彈簧或板簧，其制作材料有較好的恢復(fù)性和抗疲勞特性。從制造方法上來看，以沖壓或彎卷最為普遍。

與金屬彈簧不同，塑料彈簧往往與零件的電池彈簧其它部分一起注塑成型。因此，其彈性體部分與其它部分是同一種材料。很明顯，塑料零件的強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)不如金屬，即便是在塑料被廣泛使用的年代，塑料還不能完全取代金屬制造彈簧。

從塑料成型的特殊性來看，板簧比螺旋彈電池彈簧簧更易于制造，因此，塑料板型彈簧優(yōu)先被選用。

2.1 懸臂梁和簡支梁彈簧

在比較兩種類型彈簧載荷和應(yīng)力方程 (參見電池彈簧圖2和圖3 )時(shí), 可以看到，相同的截面（W與t的乘積）和有效跨距（L）下，懸臂梁的應(yīng)力載荷為簡支梁的16倍。然而, 在同樣撓度下，簡支梁彈簧的應(yīng)力電池彈簧是懸臂梁彈簧的 4 倍。

從彈簧材料的有效用量上比較，這兩種類型的彈簧的差別可以忽略不計(jì)。 在同樣的載荷下，簡支梁彈簧可以設(shè)計(jì)較大的跨距電池彈簧和較薄的截面。

2.2 設(shè)計(jì)公式

式中 P = 載荷 (Kg)，E = 彈性模量(Kg/cm2 )，Y = 撓度 (cm)，t = 厚度 (cm)，L = 有效長度 (cm)，w = 寬度(cm)，σ = 彎曲應(yīng)力 (Kg/cm2 )

例如，設(shè)計(jì)一個(gè)洗衣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的棘輪的懸電池彈簧臂彈簧。材料是Celcon M90（乙縮醛共聚物），其彎曲模數(shù)在41°C是22,145 Kg/cm2. 活動(dòng)長度是3.20cm，寬度是0.65cm。在防倒轉(zhuǎn)棘齒通過時(shí)，電池彈簧其載荷是0.250Kg，撓度是0.65cm。

（1）板簧的厚度計(jì)算

變換公式（1），計(jì)算懸臂梁彈簧的電池彈簧厚度解為：

（2）應(yīng)力校核

對于懸臂梁彈簧，用公式（2）求解的應(yīng)力值為：

Celcon M90在41°C的抗拉強(qiáng)度是618K電池彈簧g/cm2。但是它在41°C耐彎曲疲勞的極限強(qiáng)度是232 Kg/cm2。由于應(yīng)力校核計(jì)算強(qiáng)度是320Kg/cm2，所以應(yīng)當(dāng)把許用應(yīng)力減少到232Kg/cm2或更低。電池彈簧在這個(gè)例子里，假設(shè)彈性梁的長度和寬度可以增加，而厚度不能減少。

變換公式（2），計(jì)算彈簧懸臂梁的長度為：

變換公式（1），可以計(jì)算同一載荷下的電池彈簧彈簧寬度：

3 注塑成型工藝問題

在彈簧制品設(shè)計(jì)和選擇合適的材料之后，還要注意注塑成型工藝對彈簧質(zhì)量的影響。在設(shè)計(jì)模具型腔時(shí)，要特別注意選擇正確的電池彈簧澆口位置。也就是說要避免澆口或熔接縫出現(xiàn)在彈簧或彈簧的運(yùn)動(dòng)部位。因?yàn)槿劢涌p引起的薄弱部位，會(huì)使彈簧的性能大大受影響。

利用注塑成型分析軟件，可以很方便地通過電池彈簧注塑成型模擬，獲得熔體的流動(dòng)前沿動(dòng)態(tài)視圖。透過模具內(nèi)部，可以檢查所指點(diǎn)的任一點(diǎn)模具溫度和壓力，給設(shè)計(jì)者進(jìn)入整個(gè)加工過程的真實(shí)感受[3]。通過注塑成型流動(dòng)模擬，不但可以分析塑料制品在模具型腔中的溫度場、壓力場，還可以預(yù)測熔電池彈簧接縫和氣穴的形成部位。針對模擬分析存在的問題，可以借助于3D計(jì)算機(jī)造型系統(tǒng)修改制品設(shè)計(jì)，或修改模具設(shè)計(jì)[4]。利用先進(jìn)的CAE工具，可以提高塑料彈簧制品的質(zhì)量，避免模具返工和修改設(shè)計(jì)方面，節(jié)省時(shí)間和金錢。

圖4. 利用HSCAE 3DRF 5.0軟件分析提高塑料彈簧的設(shè)計(jì)質(zhì)量

在注塑成型模擬的幫助下設(shè)計(jì)型腔布置，便于優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，減少開發(fā)時(shí)間和成本。型腔和流道布置對所需的合模力有極大的影電池彈簧響。在某些情況下，通過注塑成型模擬，改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以把最初的合模力大大降低。這具有重大的成本意義。

參考文獻(xiàn)

1.李德群等. 塑料成形工藝及模具設(shè)計(jì)電池彈簧. 機(jī)械工業(yè)出版社，1994年

2.Jeff Sloan. Plastics have designs on springs.IMM,Sept,1997

3.張宜生，梁書云，李德群.注塑流動(dòng)模電池彈簧擬軟件HSCAE4.0F的技術(shù)特色.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000(6)：33-34.

4.Michelle Maniscalco. Virtual prototypi電池彈簧ng becomes essential. IMM，June，2000

5.唐志玉，李德群等. 塑料模設(shè)計(jì)師手冊電池彈簧. 國防工業(yè)出版社，1997年