多股螺旋弹簧应用及研究现状
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多股螺旋弹簧应用及研究现状范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：多股簧是由钢索（通常由3～14股、1～3层、0.4～3 mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成）卷制而成的圆柱螺旋弹簧。与单股弹簧相比，多股簧具有更好的强度及独特的吸振、减振效果，因而可广泛应用于振动设备、高精度台面和要求很平稳的运输车辆等，以取代传统的单股弹簧和橡胶弹簧。本文综述了多股簧特性、用途及研究现状，介绍了本课题组开发的多股簧数控加工机床，解决了多股簧加工过程中的张力精确控制、回弹等难题，为将多股簧应用在汽车及摩托车减振器上提供了性价比高的解决方案。
关键词：多股簧；数控加工机床；汽车减振
中图分类号：TG15文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.05.011
Applications, Research and Manufacture of Stranded-wire Helical Springs
Wang Shilong1，Zhou Jie1，Li Xiaoyong1，Lei Song1，Li Xianguang2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmissions，Chongqing University，Chongqing 400044，China；
2. Chongqing Machine Tool Group，Chongqing 400055，China)
Abstract：A stranded-wire helical spring is a cylindrical helical spring rolled by a strand, which usually consists of 3 to 14 carbon steel wires of 0.4 to 3 mm in radius. Compared with a conventional single helical spring, it has a unique characteristic in better damping and vibration reduction. Therefore, it can replace the traditional single spring or rubber spring, and is widely used in vibratory equipments, such as vibration sieves, anti-vibration breakers, high precision table-boards and steady transport vehicles. This paper reviews the characteristics, applications, research status of stranded-wire helical springs. In addition, a CNC machine which solves the problems of accurate control of force and springback during the manufacture is presented. The research and development of the machine provides a highly cost - effective solution to apply the stranded-wire helical spring to automotives or motorcycle shock absorbers.
Keywords：stranded-wire helical spring；numerical control machine；vehicle absorber
多股簧是由钢索（通常由3～14股、1～3层、0.4～10 mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成）卷制而成的圆柱螺旋弹簧。与单股弹簧相比，多股簧具有更好的强度及独特的吸振、减振效果,因而它是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。另外，多股簧还可广泛应用于振动设备（如振动筛、振动粉碎设备等）、高精度台面和要求很平稳的运输车辆等，以取代传统的单股金属弹簧和橡胶弹簧[1-4]。但由于结构参数较复杂, 多股簧对加工装备的数控系统要求更苛刻。
1 多股簧特性与用途
多股簧的特性是弹簧在高速往复复位过程中，钢索本身将受到转矩作用，使钢丝产生拧紧和角偏转，各股钢丝紧密接触，产生摩擦阻尼作用，以致达到良好的吸振和减振效果。多股簧的另一个重要特性是强度好、使用寿命长。普通的单股弹簧，若簧丝出现断裂等情况，弹簧即失效，只能重新更换，但在很多情况下没有时间和机会更换已失效的弹簧。而多股簧某一根簧丝的断裂对弹簧本身的使用没有多大影响，而且多股簧多采用直径较小的碳素弹簧钢丝制成，钢丝直径越小，强度就越高。因此，相较于单股螺旋弹簧，多股簧因其强度高、消振及抗冲击能力强、寿命和安全性高等优点，具有广泛的应用前景，几乎所有使用单股螺旋弹簧的场合，均可考虑使用多股簧进行替代以提高使用性能[5-7]。但是由于多股簧制造工艺复杂，制造成本高，且产品质量难以保证，它的应用领域又受到了一定限制。
目前，多股簧主要用于一些对持久强度和安全性要求较高的特殊场合。
1.1 自动武器发射系统的复进簧
在自动武器中，复进簧的作用是在活动机件后坐时期存储能量，在复进时期释放能量使活动机件复进。在后坐和复进时期，活动机件带动各机构完成自动工作，如退壳、供弹、闭锁和击发等。现代大口径自动武器几乎毫无例外地使用无中心股的3股（高射机枪）或4股（航空自动炮）螺旋弹簧作复进簧。多股簧能完成的射弹发数可达同截面单股弹簧的3～5倍。以多股簧作复进簧，簧圈振动较快地衰减，动态应力低；加之多股簧各股钢丝较细，抗拉强度较高，因此可提高复进簧的使用寿命3倍以上[1-3]。
1.2航空发动机减振簧及外部管路支撑用隔振器
多股簧用在航空发动机与飞机机翼结构的连接部分，具有低频大阻尼及高频低刚度的变参数性能，因而能有效地降低机体振动，如图2所示。与传统的橡胶减振源相比，具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化以及体积小等优点，隔振效果主要取决于它的非线性迟滞特性。
作为外部管路支撑用隔振器，多股簧主要用作安装固定各种液压、燃油管路，对振动加以控制，利用隔振装置耗散振动能量，减少或削弱振动的传播，从而以降低传递率来提高管路系统的环境适应性。
1.3 汽车内仪器仪表的多股簧减振器
安装在汽车内的仪器仪表设备，虽经底盘悬架系统的第1次减振，但在汽车行驶过程中由于惯性及动载荷的作用，仍产生一定程度的振动。为保证仪器仪表的示值精度，维持其正常的使用寿命，要在仪器仪表和安装机座之间安装减振器，对仪器仪表整体进行隔振或减振。汽车仪器仪表系统现有形式的减振器一般是传统的单股螺旋簧减振机构或橡胶减振器。单股螺旋弹簧减振机构依靠弹簧材料的内摩擦产生阻尼，但是该阻尼作用不大，且易产生谐振，减振效果不好；而橡胶减振器虽然内摩擦较大，阻尼也较大，但是易老化且受温度变化而影响其弹性。
多股簧减振器是一种新型的减振器，具有强度高、能承受较大载荷，快速吸收能量使振动迅速衰减，及结构简单、体积小、使用寿命长等优点，能解决装在汽车上的自重较大的精密仪表的减振问题。由于多股弹簧减振性能优越，可以用作减振器或隔振器弹簧，具有较好的应用前景[8]。
1.4 山地自行车后悬架的减振装置
目前自行车用弹簧减振器基本都是由单股圆柱螺旋压缩弹簧组成，当自行车车轮受到路面的冲击时，弹簧减振器会起到缓冲作用。但当路面激励频率与人―自行车系统的固有频率相同或接近时，将发生共振现象，这时由于弹簧减振器中的单股圆柱螺旋压缩弹簧不具有阻尼作用，不能有效衰减振动，从而造成严重的颠簸而影响骑乘舒适性。将普通自行车用减振器中的单股弹簧改为中心股和外股弹簧钢丝缠绕构成的多股弹簧，而且弹簧的刚度和阻尼大小可通过弹簧丝的材料、中心股和外股股数，以及不同缠绕方式来改变。受到路面冲击时，自行车后悬架将冲击力传至减振器，减振器弹簧被压缩，上、下导向杆产生相对滑动，由于多股簧各股钢丝在压缩和回弹的过程中互相摩擦，消耗了一定的动能，使减振器产生了一定的阻尼效果，从而起到衰减振动的作用，提高了骑乘舒适性。同时将体重刻度标注于外套筒上，可使骑行者根据个人体重调节预应力大小，从而使减振器的减振效果达到最佳[8]。
1.5 其它方面的应用
黄之初把多股簧应用于新型变激励振动磨上，保证了磨机在变激励作用下四维运动的稳定性和安全性，同时对磨机共振时出现的大振幅起到弹性限位的作用[9]。宋方臻等从转子系统的动力学角度入手，把多股簧应用于立式冲击破碎机，利用其非线性特性降低共振幅值，提高机器的稳定性，实现良好的减振降噪和延长轴承寿命的效果[12-13]。姚熊亮基于多股簧和磁流变阻器相结合的思想设计出船用智能抗冲击隔离器，同时解决了中低频减振和高频抗冲击的问题[10]。李志远把多股簧应用于汽车后桥减振器，该减振器具有减振频率范围相对较宽、能利用阻尼消耗振动能量及寿命长的优点[11]。
2 多股簧的研究现状
早在二战时期，德国就采用了多股簧作为MP38/40 ERMA 9 mm冲锋枪的复进簧。20世纪90年代，德国Rohrs公司加大研发投资力度，研究开发了多股簧的专用卷簧机和用于检测多股簧持久性能和动力学性能的冲击试验机。Rohrs公司已能为客户提供多股簧的非标设计。
多股簧钢丝的数量和钢丝的捻距对弹簧的特性有很大的影响。钢丝的捻距就是单股钢丝自绕一圈的距离在与弹簧轴向平行位置上的投影长度。当3股螺旋弹簧钢丝的捻距和簧圈的直径之比在5.0～5.5之间时，弹簧的疲劳寿命最长。另外，由2股钢丝绕制成的多股簧的疲劳寿命要比与其等价的普通单股螺旋弹簧更好，但是还是低于3股螺旋弹簧。于道文等将数学规划理论与计算机程序设计方法相结合通过实例对多股簧的计算机辅助优化设计进行了初步探讨[12]。
为了使多股簧表现出良好的性能，必须要求多股簧钢索被精确地设计与制造。多股簧的钢索拧角和钢索直径大小从根本上决定了多股簧的性能。在设计多股簧时，钢索拧角和钢索直径是通过钢索索距、钢丝直径和钢索股数计算出来的。
张英会等和王茂林提出了“相邻两根钢丝中心线的最短距离等于钢丝直径”来计算钢索直径的方法。但是这个方法是先假定一个钢索拧角，然后用这个假定的钢索拧角，通过查表的方法来求钢索直径，而钢索拧角是需要通过钢丝直径、钢索索距以及钢索股数才能确定的。因此，这个方法没有从根本上解决多股簧钢索拧角和钢索直径的计算问题[1]。同时，张东文等还提出了“钢索横截面为椭圆相切”的近似模型来计算钢索拧角和钢索直径的方法，这个模型能够近似解决3股和4股钢索拧角和直径的计算，但是一旦钢索的股数超过4股，用该模型来计算就不可行了。即使是对于3股和4股钢索，也需要通过查表和插值的方法才能从根本上解决其计算问题。事实上，沿着多股簧的钢索法向方向截取一个截面，该截面是由不规则图形相切而成，既不是圆也不是椭圆。
曲率和挠率是描述空间曲线局部性质的重要微分几何参数，曲率反映了曲线的弯曲程度，挠率反映了曲线的扭转程度。在刚性截面假定基础上，曲杆的几何形态由截面沿中心线的移动和转动体现。假设钢丝的横截面为刚性平面，则钢丝的几何形态是由其横截面沿其中心曲线的移动和转动形成，故钢丝的弯曲变形与中心曲线的曲率有关，而钢丝的扭转变形则由钢丝中心曲线的挠率体现。王时龙、萧红等将多股簧的各股钢丝作为独立的弹性细杆，从微分几何学角度研究了多股拉伸和多股压缩弹簧之间的异同性，重点考虑了钢索拧角参数的影响，首次从理论上提出了多股簧各股钢丝中心线的数学模型[13-15]。
3 多股簧加工机床
多股簧的制造工艺过程一般为缠制（包括拧索）、切断、焊头、弯头、回火、立定或强压处理和表面处理等。多股簧的缠制方法有两种，拧索与绕簧同时进行及拧索与绕簧分别进行。采用前者方法卷制的弹簧质量好，但机床及工装结构较复杂。而后者卷簧方法尽管工装结构简单，但钢索拧好后易反弹而发生松散现象，钢索索距及钢索直径均匀性较差，现在已很少采用此方法加工。
作者的课题组针对多股簧加工的主要特点，研发了第1代多股簧数控加工机床（图3），采用数控系统进行精密加工成型控制。通过4轴联动的无级调速系统，克服了传统挂轮传动的分级速度控制的缺点，使数控加工机床能够加工任意结构参数的3层有芯多股簧。开发了张力控制器控制多股簧拧索过程的各股钢丝的张力平衡，使用蓝牙技术实现了工业计算机与拧索机架在整个绕制过程中的通讯。系统采用工业计算机+PLC的结构，具有良好的人机交互性能。
但第1代多股簧数控加工机床的整体结构有待改进。由于机床的各零部件与钢索之间的摩擦副较多，导致在多股簧绕制过程中各钢丝受张力不均，使钢索的张力一致性下降，降低了多股簧的整体质量。另外，钢丝需人工安装，且非常不方便（人工准备时间约为1 h左右），工人的劳动强度大，影响了多股簧加工和生产效率，进而影响了该机床推广应用。
针对该机床存在的问题，作者的课题组提出了新的设计方案。设备的工作原理如图4所示。钢丝旋转架由电机带动绕主轴转动，旋转架分内、中、外3层，其钢丝路径均直接拉至集束器，并完成拧索过程。各个钢丝盒在旋转架上可以相对自由转动。钢丝从钢丝盒抽出后，出丝到工作路径中（中层钢丝经钢丝管导向），从内、中、外3层进入集束器后，形成钢索并同时在绕簧芯轴上绕制成弹簧。旋转架相对机座固定，而绕簧芯轴在机座上自身转动的同时，也向轴向方向平稳移动。绕簧芯轴转速一定时，其转速控制了多股簧的节距，而各旋转架的转动速度控制了钢索各层钢丝的节距。弹簧绕制完毕后，伺服电机带动滑动机架后退一定距离，以留出一定的空间便于切断钢索。
改进后的机床整体结构更为合理，传动效率提高；轴的一体化设计更简洁，穿丝方便，大大降低了操作者的劳动强度，避免了大量有害的摩擦；对张力控制器进行了改进设计，采用磁粉制动器控制转矩，恒定张力，提高了控制的稳定性和灵敏度；采用增速齿轮传动与磁粉制动器连接，增速机构可以降低磁粉制动器的工作转矩，齿轮传动无滞后现象。张力检测方面，采用美国AmcellS公司的HSX系列称重传感器，误差小、灵敏度高、可靠性好。
4 结论
多股簧作为多股绞线的一种形式，对它的研究远远没有其它类捻线产品深入，比如钢丝绳、电缆和光纤光缆等。目前，作者的课题组正积极开展关于多股簧微动磨损、力学响应特性、绕制成形与卸载回弹方面的研究。总体来说，国内的多股簧设计和制造尚处于初步研究阶段，随着国内机械行业，特别是军工、汽车工业等领域的发展，如何提高多股簧的性能及质量将成为一个重要课题。
参考文献(References):
张英会，刘辉航，王德成．弹簧手册[M]．北京：机械工业出版社，2008．
Zhang Yinghui，Liu Huihang，Wang Decheng. Spring Handbook[M]. Beijing：China Machine Press，2008. (in Chinese)
殷仁龙．机械弹簧设计理论及应用[M]．北京：兵器工业出版社，1993．
Yin Renlong. Design Theory and Its Application of Mechanical Spring[M]. Beijing：Weapon Industry Press，1993. (in Chinese)
COSTELLO G A，PHILIPS J W．Static Response of Stranded Wire Helical Springs[J]．International Journal of Mechanical Sciences，1979(21)：171-178．
成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.
Chen Daxian. Handbook of Mechanical Design[M]. Beijing：Chemical Industry Publisher，2004.(in Chinese)
CARLSON H．Spring Manufacturing Handbook[M]．USA：New York，1982．
罗辉．机械弹簧制造技术[M]．北京：机械工业出版社，1987．
Luo Hui. Manufacturing Technique of Mechanical Spring [M]. Beijing：China Machine Press，1987. (in Chinese)
CLARK H H．Stranded Wire Helical Spring-spring Design and Application[M]．New York：McGrao-hill Book Company，1961．
项忠霞，黄田，张洁．自行车用多股弹簧减振器[P].中国：ZL 200520131013.9，2005-12-30：5．
Xiang Zhongxia，Huang Tian，Zhang Jie.Stranded-wires Spring Shock Absorber of Bicycle [P].China：ZL 200520131013.9，2005-12-30：5.(in Chinese)
黄之初，王军，李子成．变激励振动磨粉磨机理分析及实验研究[J]．武汉理工大学学报，1994，16(4)：95-99.
Huang Zhichu，Wang Jun，Li Zicheng．Mechanism Analysis and Experimental Research of Variable Incentive Vibration [J]．Journal of Wuhan University of Technology，1994，16(4)：95-99．(in Chinese)
宋方臻，宋波，孙淑娟．非线性弹簧支承转子系统的动力性能分析[J]．机械科学与技术，1999，18(4)：587-591．
Song Fangzhen，Song Bo，Sun Shujuan. Dynamic Analysis of Nonlinear Spring Support System [J]. Mechanical Science and Technology，1999，18(4)：587-591. (in Chinese)
李志远，陆益民，陈品．钢缆弹簧式汽车后桥减振器[P].中国：ZL 200520075608.7，2005-9-15：4．
Li Zhiyuan，Lu Yiming，Chen Ping. Stranded-wires Spring Shock Absorber of Vehicle Drive Axle [P]. China：ZL 200520075608.7，2005-9-15：4．(in Chinese)
于道文.多股螺旋弹簧的动应力及其有效寿命[J]. 南京理工大学学报，1994，75(3)：24-29.
Yu Daowen. Dynamic Stress of Stranded-wire Helical Spring and Its Useful Life [J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology，1994，75(3)：24-9. (in Chinese)
王时龙，萧红，周杰，等．多股螺旋弹簧的微分几何研究[J]．中国机械工程，2009，20(17)：2089-2099.
Wang Shilong，Xiao Hong，Zhou Jie，et al. Differential Geometry of Stranded-wire Helical Spring[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009，20(17)：2089-2099.(in Chinese)
王时龙，任伟军，周杰，等.多股螺旋弹簧的空间曲线模型研究[J].中国机械工程，2007，18(11)：1269-1272.Wang Shilong，Ren Weijun，Zhou Jie，et al. Research of Space Curve Model of Stranded-wire Helical Spring [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，18(11)：1269-1272. (in Chinese)
闵建军，王时龙.多股螺旋弹簧动态计算分析[J]. 机械工程学报，2007，43(3)：199-203.
Min Jianjun，Wang Shilong. Dynamic Analysis of Stranded-wire Helical Spring[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(3)：199-203 ．(in Chinese)