结合式螺旋压缩弹簧的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明针对一种压缩弹簧，其具有增加的刚度。特别地，本发明针对一种结合式压缩弹簧，其可用塑料打印或模制。
【背景技术】
[0002]由于它们的动态和力学性能，弹簧被广泛地用于许多行业中。例如，大型弹簧用于汽车行业中，或者小型弹簧用于较小的电子和/或机械装置中。考虑到它们制造的质量、刚度、强度及它们可被大规模生产的能力，钢弹簧(steel springs)经常地被使用。然而，钢弹簧往往相对较重并且它们的重量在某些应用中是不利的。例如，在如汽车、飞机和火车车厢的应用中，减轻不同部件的重量以减轻设备的整体重量是至关重要的。钢弹簧的其它缺点是它们具有有限的耐腐蚀性、疲劳强度、具有高热膨胀系数、具有磁性并且是导电的。此外，由于疲劳损坏金属弹簧的振动能力和耐久性限制了这些机器运行而没有金属弹簧更换的时间和频率的长度。
[0003]钢弹簧的一些缺点的一种解决方法是由复合材料制成单螺旋弹簧。由复合材料制成的单螺旋弹簧已开发利用塑料材料轻质特点的优势。然而，这些类型的弹簧未能提供足够的刚度来代替钢弹簧。单螺旋弹簧是扭杆绕成螺旋形式，扭杆的刚度由材料的弹性剪切模量决定。由于复合材料的剪切模量小于钢的剪切模量，复合材料单螺旋弹簧的刚度远小于钢制单螺旋弹簧的刚度。
[0004]还已知的是金属多波形压缩弹簧(metal mult1-wave compress1n spring)。就其本质来说波形弹簧易于疲劳失效。弹簧被反复伸缩并且弹簧的每一圈的横截面一般为薄的，弹簧常常被受压至可能的最高极限。波形弹簧通常由硬化和回火金属制成，其中金属被塑性变形以生成波形。这种变形在波形的不同表面内具有残余压应力和拉伸应力。加载后，残余应力增加施加在弹簧上的有效的应力。除了弹簧的疲劳寿命的特性外，由残余应力和施加的应力共同引起的载荷可能超过材料的屈服强度并导致弹簧的灾变性失效(catastrophic failure)。
[0005]与金属波形压缩弹簧相关的另一问题是通常用于成形弹簧的方法。为了制造多波形压缩弹簧，金属丝通常被边缘绕成弹簧的圆形结构。由于边缘绕制导致的材料扭曲，在多波形弹簧相邻的层上的波峰和波谷之间的接触区域没有在平行面之间，相反层在一点接触。更特别地，边缘绕制的钢或金属多波形压缩弹簧从弹簧的纵轴径向向外的方向上不是均匀一致的平面。结果，仅每个波峰和波谷的外边缘在一点接触。在每个相邻的波峰和波谷的点载荷形成大的点载荷接触应力，其在弹簧的外边缘上。在重复和连续的弹簧的加载过程中点接触造成相邻的波峰和波谷之间的摩擦。在波峰和波谷之间的点接触生成的摩擦导致在弹簧丝表面的磨损。点摩擦或磨损降低了疲劳寿命并生成尖锐的边缘。尖锐的边缘增加了大的应力集中系数进一步恶化了接触区域并最终在弹簧内生成裂纹萌生部位，其可能导致灾变性失效。
[0006]与金属多波形压缩弹簧相关的另一问题是弹簧响应的非线性。金属弹簧的相邻波峰和波谷之间的点接触和通常用于这种弹簧的制造方法的影响导致线性弹簧刚度在很窄的挠度范围内或者非线性弹簧响应在更大的挠度范围内。本文涉及的“线性”弹簧响应、弹簧常数或弹簧刚度表示施加的力的恒定的增量导致弹簧挠度的恒定增量。
[0007]与金属多波形弹簧相关的另一问题是滞后现象。滞后现象是当弹簧被加载时与当加载被移除时相比弹簧的力/挠度的曲线的差别。大的滞后现象导致不一致的弹簧性能，特别在高频加载和卸载条件下。
[0008]长期已知的是使用复合材料作为金属板簧和金属卷簧的代替品。复合材料的使用提供金属弹簧的轻质替代品。然而，部分地由于波形的特点和与波形相关的成形需求，复合材料的益处在多波形压缩弹簧的使用中并没有完全实现。将波形成形到固化复合丝层或卷簧内是不切实际的并且将导致复合材料的纤维和/或树脂基的裂纹、断裂或失效。而且，即使固化复合丝如金属丝一样可被边缘绕制，波峰和波谷将仍将是倾斜的，造成点接触和相应的所有缺陷。
[0009]另外，就其本质而言多波形弹簧在波峰和波谷界面处具有大量的接触和/或摩擦。多波形弹簧能够在各种各样的环境和条件下使用，包括工业和汽车应用，其是非无菌的、脏的并具有许多颗粒污染物。这些脏的颗粒和其它的污染物影响波峰和波谷的界面和切割、降解或否则损伤复合材料，特别是纤维。
[0010]因此，需要的是，一种能够为多种应用提供足够刚度的轻质压缩弹簧。进一步需要的是，一种具有改进的耐疲劳性和腐蚀性的弹簧。
【发明内容】
[0011]如本文公开的，解决方案是通过一种结合式(bonded)螺旋压缩弹簧提供的。所述弹簧包括具有连续的波峰(crests)和波谷(troughs)的多个层。第一层的第一波峰和第一波谷与相邻的第二层的相应的第二波谷和第二波峰对齐、并且与相邻的第三层的相应的第三波谷和第三波峰对齐。第一层的第一波峰结合至相邻第二层的第二波谷，并且第一层的第一波谷结合至相邻的第三层的第三波峰。由于相邻的层的波峰和波谷结合在一起，使波峰和波谷之间的摩擦被消除。
[0012]根据下面的优选实施例的更多详细说明，结合通过示例示出了本发明的原理的附图，本发明的其它特征和优势将是明显的。
【附图说明】
[0013]图1是根据本发明的结合式螺旋压缩弹簧的示例性实施例的透视图。
[0014]图2是图1的结合式螺旋压缩弹簧的前视图。
[0015]图3是沿着图1的线3-3的结合式螺旋压缩弹簧的横截面图。
【具体实施方式】
[0016]根据本发明原理的示例性实施例的说明意在结合附图阅读，其被认为是整个说明书的一部分。在本文公开的本发明的实施例的说明中，对方向或取向的任何提及仅是为了说明的方便并且不以任何方式限制本发明的范围。相关术语如“下面”、“上面”、“水平”、“竖直，，、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当解释为涉及随后讨论中描述或在附图中所示出的方向。这些相对性的术语仅是为了方便说明并且并不要求那些设备以特定的取向构造或运行，除非这样明确的指出。术语如“相连”、“固定”、“连接”、“结合”、“互连”及类似的关系中通过中间结构以及可移动的刚性连接件或关系，结构被直接或间接地固定或连接至另一个，除非另有明确描述。而且，本发明的特征和益处根据优选的实施例描述。因此，本发明明确地不限于这些示出了一些可能的非限制性组合特征的优选实施例，这些特征单独出现或与其他特征组合，本发明的范围由所附的权利要求限定。
[0017]在图1中示出了根据本发明的一个实施例的结合式螺旋压缩弹簧10。压缩弹簧的每一层12围绕弹簧10—般延伸360°并包括连续的波峰14和波谷16，其跟随基本为正弦波的路径。每层12的波峰14和波谷16的数量相等。一层12的波峰14和波谷16与相应地在该层之上或之下的相邻的层12的波峰14和波谷16对齐并邻接。这种特殊类型的弹簧构造通常在本领域内称为“多波形”弹簧。这种弹簧可由材料如，但不限于，金属、塑料、填充聚合物及非填充聚合物制成。
[0018]弹簧10可通过注塑成型、三维打印(three-dimens1nal printing)或其它的已知工艺制造。可选地，层12可带垫圈(例如，但不限于，金属垫圈)或其它材料制成，在其内相邻的波峰16和波谷14结合在一起。相邻的波峰14和波谷16可通过粘合剂、树脂、焊接、铆合或其它已知的方法结合在一起。可选地，波峰14和波谷16在层12成形时结合在一起。在制造过程中材料被沉积(即，通过三维打印或通过注射成型)，通过每层12与每一相邻的层12成为一体并结合将弹簧10制成一个件，从而将相邻的波峰14和波谷16结合在一起。
[0019]在一个示例性实施例中，多个单层12的每一层具有连续的波峰14和波谷16。第一层12a的第一波峰14a和第一波谷16a与相邻的第二层12b的相应的第二波谷16b和第二波峰14b对齐以及与相邻的第三层12c的第三波谷16c和第三波峰16c对齐。第一层12a的第一波峰14a结合至相邻的第二层12b的第二波谷16b，第一层12a的第一波谷16a结合至相邻的第三层12c的第三波峰14c。由于相邻的层12的波峰14和波谷16结合在一起，消除了波峰和波谷之间的摩擦。
[0020]在另一个示例性实施例中，螺旋压缩弹簧10与多个层12成形为一体，如在图2中最佳地示出。多个层12的每一层具有连续的波峰14和波谷16。第一层12a的第一波峰14a和第一波谷16a与相邻的第二层12b的相应的第二波谷16b和第二波峰14b对齐以及与相邻的第三层12c的相应的第三波谷16c和第三波峰16c对齐。第一层12a的第一波峰14a与相邻的第二层12b的第二波谷16b—体成形，第一层12a的第一波谷16a与相邻的第三层12c的第三波峰14c一体成形。由于相邻的层12的波峰14和波谷16结合在一起，消除了波峰和波谷之间的摩擦。
[0021]在示出的示例性实施例中，在一个层12内波峰14和波谷16的振幅与在相邻的层或其它层内的波峰14和波谷16的振幅相等。然而，在其它的实施例中弹簧10具有沿着其纵轴成形的不同区域。在这些层或区域的任何一个内波峰14和波谷16的所有振幅与在其余层或区域内的所有振幅不相等。如本文使用，术语“振幅(amplitude)”定义的是从层中心线(centerline)到波峰14和波谷16的峰的距离。此距离基本等于单个层12的自由高度的一半。
[0022]如在图2中所示，弹簧10的相邻的层12内的每个波峰14和波谷16沿着接触区域20接触。接触区域20优选地基本