基于Solidworks的可变节距圆柱螺旋弹簧参数化系列建模

牛瑞利 王国虎

摘要：为提高设计效率，节约设计时间，形成系列化产品，采用Solidworks软件中的方程式进行参数化设计。以可变节距圆柱螺旋弹簧为例，进行参数化建模，通过控制弹簧结构的特征参数为变量，可生产满足不同设计要求的精确的系列化弹簧模型。结果表明参数化建模可大大提高产品设计效率和设计的精度。

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.

关键词：Solidworks；弹簧；参数化；建模

Key words： Solidworks；spring；parametric；modeling

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0161-02

0 引言

弹簧是利用弹性变形实现缓冲吸振、控制运动、储存和释放能量、测量力和力矩等功能的一种很重要很常见的机械零件。常用的金属弹簧按结构划分主要有圆柱螺旋弹簧（等节距或不等节距）、圆锥螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧等。圆柱螺旋弹簧由于结构简单、制造方便、刚度稳定应用最广。在机械设计中，每个弹簧设计时都进行三维建模，工作量大，效率低，为节约设计时间，本文探讨如何利用Solidworks软件对常用的可变节距圆柱螺旋彈簧进行参数化系列建模。

1 Solidworks参数化设计概念

参数化设计是通过参数、关系和参照元素的方法把设计意图融入到建模中，以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计人员进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸完成最终设计。[1]在Solidworks中，可利用“方程式”的功能实现参数化设计，即将零件的特征尺寸定义为变量，通过尺寸驱动来控制零件的结构。在设计中可以通过改变变量的数值，更新尺寸大小，从而更新控制零件的模型结构，得到一系列不同参数的零件模型。

2 参数化建模

可变节距圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸见表1。

2.1 建立弹簧圆柱螺旋线

选上视基准面，建草图1，绘制中径D2=100mm的圆。选择“螺旋线/涡状线”命令，按表1的节距值与对应的有效圈数，设置区域参数，见图1，绘制6段螺旋线。需要注意的是在建模中下一段螺旋线设置的圈数是上一段螺旋线设置的圈数与自身圈数的数值叠加。

2.2 圆钩环建模

圆钩环建模分成两部分，一部分为螺旋线与圆钩环的接触线，一部分为圆钩环。圆钩环的接触线，通过新建与上视基准面平行的基准面内，绘制与螺旋线相切的组合曲线1形成。组合曲线1主要由直线、圆弧、样条曲线组成，尺寸长度为50mm。圆钩环主要由半径为50mm的圆弧和样条曲线相切过渡形成。圆钩环需要新建过接触线与螺旋线垂直的基准面内绘制圆钩环草图。形成的圆钩草图由两个草图组成，如图2所示，建模如图3所示。相同的方法，绘制螺旋线另一端的圆钩环草图。为后续进行参数化设计，通过“智能尺寸”设置两个特征参数：yjcd1（2）=50mm，yggd1（2）=50mm，在图2中分别显示为∑R50，∑50。

2.3 组合曲线，扫描生成弹簧

在“特征”中选取“曲线”中的“组合曲线”命令，依次将2个圆钩环和5段螺旋线组合成曲线，在“曲面扫描”对话框中先设置弹簧弹簧丝直径d=9.5mm，扫描生成弹簧建模如图4所示。

2.4 方程式参数化设计

第一步定义全局变量，将可变的有效圈数定义为3个变量“A，B，C”。A=5，B=2，C=10，定义弹簧中径为全局变量“%%d”，%%d=100；第二步将“数值/方程式”中6个显示中径为100mm的数值赋予全局变量“%%d”；第三步将yjcd1（2）=50mm，yggd1（2）=50mm，赋予变量“%%d*0.5”；第四步对5个有效圈数进行方程式定义：“A=5”、“A+B=7”、“A+B+C=17”、“A+B+C+B=19”、“A+B+C+B+A=21”，这里需特别注意，有效圈数是表1中单段螺旋线圈数的依次叠加。参数设置见图5，由于设置参数较多，这里只截取，设置参数对话框的部分。通过将尺寸数值赋予变量即可实现弹簧的系列化设计，可以通过改变%%d的中径值得到一系列不同中径值的弹簧，通过改变变量A，B，C的数值可以改变弹簧的自由高度H。

2.5 系列化设计

在设计树下，选择“方程式”，点击右键，弹出快捷菜单，选择“管理方程式”，更改全局变量的数值，即可得到，相同节距，不同圈数，不同中径的弹簧。在“尺寸”中，通过改变节距，即可得到不同节距的弹簧。我们也可以将节距、弹簧丝直径设置为全局变量，通过上述方法，可得到不同节距，不同中径，不同弹簧丝直径，不同圈数的弹簧。根据设计需要可以通过改变弹簧几何参数将这些弹簧模型建模出来，形成系列化。

3 结束语

总之通过Solidworks软件中的方程式进行参数化设计，即是对弹簧的主要结构参数的智能尺寸更改名称，在方程式中对其数值赋予变量，建立起参照，可以通过更改变量的数值，改变弹簧模型的几何尺寸大小，从而可得到满足不同设计要求的多系列弹簧，这种设计能大大节约设计时间，提高设计的效率，缩短产品的研发周期。

参考文献：

[1]张信群.圆柱压缩弹簧参数化建模[J].机电工程，2011（3）：305-309.

[2]于良振，王明琳，张海波，等.基于Solidworks的二通插装阀弹簧参数化实体建模技术研究[J].流体传动与控制，2012（4）：34-36.

[3]李振华，商跃进，王红.基于Solidworks的二次开发的动车组弹簧参数化设计[J].计算机辅助工程，2015（5）：38-41.

[4]黄华梁，彭文生.机械设计基础[M].四版.北京：高等教育出版社，2007.