基于Solidworks的可變節距圓柱螺旋彈簧參數化系列建模

牛瑞利 王國虎

摘要：為提高設計效率，節約設計時間，形成系列化產品，采用Solidworks軟件中的方程式進行參數化設計。以可變節距圓柱螺旋彈簧為例，進行參數化建模，通過控制彈簧結構的特征參數為變量，可生產滿足不同設計要求的精確的系列化彈簧模型。結果表明參數化建模可大大提高產品設計效率和設計的精度。

Abstract： In order to improve design efficiency， save design time， form a series of products， this paper uses the equations in Solidworks software for parametric design. Taking the variable pitch cylindrical spiral spring as an example， parametric modeling is carried out. By controlling the characteristic parameters of the spring structure as variables， an accurate series of spring models that meet different design requirements can be produced. The results show that parametric modeling can greatly improve product design efficiency and design accuracy.

關鍵詞：Solidworks；彈簧；參數化；建模

Key words： Solidworks；spring；parametric；modeling

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0161-02

0 引言

彈簧是利用彈性變形實現緩沖吸振、控制運動、儲存和釋放能量、測量力和力矩等功能的一種很重要很常見的機械零件。常用的金屬彈簧按結構劃分主要有圓柱螺旋彈簧（等節距或不等節距）、圓錐螺旋彈簧、蝶形彈簧、環形彈簧等。圓柱螺旋彈簧由于結構簡單、制造方便、剛度穩定應用最廣。在機械設計中，每個彈簧設計時都進行三維建模，工作量大，效率低，為節約設計時間，本文探討如何利用Solidworks軟件對常用的可變節距圓柱螺旋彈簧進行參數化系列建模。

1 Solidworks參數化設計概念

參數化設計是通過參數、關系和參照元素的方法把設計意圖融入到建模中，以約束造型為核心，以尺寸驅動為特征，允許設計人員進行草圖設計，勾畫出設計輪廓，然后輸入精確尺寸完成最終設計。[1]在Solidworks中，可利用“方程式”的功能實現參數化設計，即將零件的特征尺寸定義為變量，通過尺寸驅動來控制零件的結構。在設計中可以通過改變變量的數值，更新尺寸大小，從而更新控制零件的模型結構，得到一系列不同參數的零件模型。

2 參數化建模

可變節距圓柱螺旋彈簧的主要幾何尺寸見表1。

2.1 建立彈簧圓柱螺旋線

選上視基準面，建草圖1，繪制中徑D2=100mm的圓。選擇“螺旋線/渦狀線”命令，按表1的節距值與對應的有效圈數，設置區域參數，見圖1，繪制6段螺旋線。需要注意的是在建模中下一段螺旋線設置的圈數是上一段螺旋線設置的圈數與自身圈數的數值疊加。

2.2 圓鉤環建模

圓鉤環建模分成兩部分，一部分為螺旋線與圓鉤環的接觸線，一部分為圓鉤環。圓鉤環的接觸線，通過新建與上視基準面平行的基準面內，繪制與螺旋線相切的組合曲線1形成。組合曲線1主要由直線、圓弧、樣條曲線組成，尺寸長度為50mm。圓鉤環主要由半徑為50mm的圓弧和樣條曲線相切過渡形成。圓鉤環需要新建過接觸線與螺旋線垂直的基準面內繪制圓鉤環草圖。形成的圓鉤草圖由兩個草圖組成，如圖2所示，建模如圖3所示。相同的方法，繪制螺旋線另一端的圓鉤環草圖。為后續進行參數化設計，通過“智能尺寸”設置兩個特征參數：yjcd1（2）=50mm，yggd1（2）=50mm，在圖2中分別顯示為∑R50，∑50。

2.3 組合曲線，掃描生成彈簧

在“特征”中選取“曲線”中的“組合曲線”命令，依次將2個圓鉤環和5段螺旋線組合成曲線，在“曲面掃描”對話框中先設置彈簧彈簧絲直徑d=9.5mm，掃描生成彈簧建模如圖4所示。

2.4 方程式參數化設計

第一步定義全局變量，將可變的有效圈數定義為3個變量“A，B，C”。A=5，B=2，C=10，定義彈簧中徑為全局變量“%%d”，%%d=100；第二步將“數值/方程式”中6個顯示中徑為100mm的數值賦予全局變量“%%d”；第三步將yjcd1（2）=50mm，yggd1（2）=50mm，賦予變量“%%d*0.5”；第四步對5個有效圈數進行方程式定義：“A=5”、“A+B=7”、“A+B+C=17”、“A+B+C+B=19”、“A+B+C+B+A=21”，這里需特別注意，有效圈數是表1中單段螺旋線圈數的依次疊加。參數設置見圖5，由于設置參數較多，這里只截取，設置參數對話框的部分。通過將尺寸數值賦予變量即可實現彈簧的系列化設計，可以通過改變%%d的中徑值得到一系列不同中徑值的彈簧，通過改變變量A，B，C的數值可以改變彈簧的自由高度H。

2.5 系列化設計

在設計樹下，選擇“方程式”，點擊右鍵，彈出快捷菜單，選擇“管理方程式”，更改全局變量的數值，即可得到，相同節距，不同圈數，不同中徑的彈簧。在“尺寸”中，通過改變節距，即可得到不同節距的彈簧。我們也可以將節距、彈簧絲直徑設置為全局變量，通過上述方法，可得到不同節距，不同中徑，不同彈簧絲直徑，不同圈數的彈簧。根據設計需要可以通過改變彈簧幾何參數將這些彈簧模型建模出來，形成系列化。

3 結束語

總之通過Solidworks軟件中的方程式進行參數化設計，即是對彈簧的主要結構參數的智能尺寸更改名稱，在方程式中對其數值賦予變量，建立起參照，可以通過更改變量的數值，改變彈簧模型的幾何尺寸大小，從而可得到滿足不同設計要求的多系列彈簧，這種設計能大大節約設計時間，提高設計的效率，縮短產品的研發周期。

參考文獻：

[1]張信群.圓柱壓縮彈簧參數化建模[J].機電工程，2011（3）：305-309.

[2]于良振，王明琳，張海波，等.基于Solidworks的二通插裝閥彈簧參數化實體建模技術研究[J].流體傳動與控制，2012（4）：34-36.

[3]李振華，商躍進，王紅.基于Solidworks的二次開發的動車組彈簧參數化設計[J].計算機輔助工程，2015（5）：38-41.

[4]黃華梁，彭文生.機械設計基礎[M].四版.北京：高等教育出版社，2007.