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多股螺旋弹簧响应特性的理论研究与实践




重庆大学博士学位论文



学生姓名：赵 昱
指导教师：王时龙 教 授
专 业：机械电子工程
学科门类：工 学



重庆大学机械工程学院
二 O 一五年四月
Research on the response characteristics of
stranded wire helical springs and practice



A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Doctor’s Degree of Engineering
By
Yu Zhao

Supervised by Prof. Shilong Wang
Specialty: Mechatronics Engineering



College of Mechanical Engineering,
Chongqing University, Chongqing, China
June, 2015
中文摘要
摘 要

多股螺旋弹簧（简称多股簧）是用由多股、多层弹簧钢丝拧成的钢索卷绕而
成的圆柱螺旋弹簧，与普通单股弹簧相比，多股簧具有强度高、寿命长、可靠性
高、抗油污、减振抗冲击性能好等优点，是自动武器、重型机械以及各种高端装
备中的重要复位基础件。
多股簧制造困难，限制了其推广应用，过去仅仅在极少数军工产品中使用。
近年来，多股簧高精度数控加工技术已逐渐成熟，多股簧制造问题已基本解决，
多股簧的优点也逐渐被广泛了解，许多企业都希望在其产品中用多股簧替换原来
的单股弹簧以达到改进产品性能的目的。然而，现阶段针对多股簧的理论研究主
要集中在多股簧的制造装备和几何模型方面，而多股簧的响应模型及多股簧系统
的响应分析理论研究很不充分，相关企业在使用多股簧时没有理论指导，难以充
分发挥多股簧的优点。
本文以解决多股簧工程应用中的关键问题为核心目标，在多股簧的制造、静
态响应建模、动态响应建模以及多股簧系统的动态响应分析等方面开展了以下研
究工作：
① 首先，针对多股簧卷绕加工的关键参数——钢丝捻距的选取尚无理论支持
的问题，研究了最优钢丝捻距的的选取准则，提出了最优钢丝捻距的计算方法，
解决了制约多股簧新产品快速开发的关键问题；
② 针对目前多股簧静态响应模型尚不完善，不能很好的描述多股簧非线性刚
度，导致设计基于多股簧的复位机构时缺乏理论指导的问题，考虑多股簧钢索受
载变形时同层各股钢丝接触状态变化的影响，提出了多股簧静态响应的“两状态”
模型，该模型可反映多股簧的非线性刚度，提高了多股簧静态响应分析的精度，
为基于多股簧的复位装置的设