扭力弹簧介绍

枫桦

发布于 2022-08-02 05:45:12

8490

文章被收录于专栏：AI算法札记AI算法札记

扭力弹簧是一种机械蓄力结构，主要用于古代弩炮和其他弩类。扭力弹簧通过对材质柔软、韧度较大的弹性材料的扭曲或旋转进行蓄力、利用，使被发射物具有一定的机械能。

1 设计参数

扭力弹簧（Torsion Spring）是变体弹簧之极致，由单扭簧至双扭簧、异形扭簧，乃至各种扭杆的变形，都依照设计成型。

扭簧（Torsion Spring）是所有弹簧类别中设计原理较为复杂的一种，型式的变化也很活泼，故设计时所涉及的理论也最繁琐，因此设计时也比较难掌握。

扭簧的必要资料：

（1）自由长度

（2）控制直径

(a)外径 (b)内径 (c)所套管之内径 (d)所穿越圆杆之外径

（3）钢丝尺寸“线径”

（4）材料（种类及等级）

（5）圈数：（a）总圈数（b）右旋或左旋

（6）扭转力：偏转至某一角度之磅数

（7）最大挠度（自由位置算起的角度）。

（8）末端的形式。

2 扭转度计算

弹簧扭转的时候材料是拉伸或者剪切状态，因此这个可扭转的角度限制最后是因为材料的失效而造成的。当材料发生塑性变形时无法恢复原来状态，因此最后归结为材料的抗拉强度跟抗剪强度，当然用第四强度理论计算得到的Von Mises 应力为材料可承受的最大强度，结合弹簧的长度，便可以计算出最大允许扭转角度。

3 结构原理

随着甲胄的发展和工事筑垒的出现，东方发展出了以兽角、筋、角、硬木、丝等材料制作的复合弓，这是一种片簧结构，综合了多种生物材料的优点，使复合弓威力很大。国外的实验表明，拉力小十几倍的复合弓射出箭的能量比740磅拉力的钢弩威力高出一倍多（这是因为钢的蓄能率很差，不到筋角材料的十几分之一，钢弓本身很重，大量的能量被消耗在弓身而不是被传递到箭上）。不像东方，希腊缺少单兵弓弩，所谓的希腊腹弓除了历史上一个人的口述外，没有任何证据印证存在，而且腹弓根据Hero的描述，是羊角做的弓身，威力和东方弩不可同日而语，狄俄尼索斯的工匠们发明的弩炮首次采用扭力弹簧，即利用两束张紧的马鬃、皮绳或动物肌腱产生的扭力作为动力，驱动弩臂带动弓弦抛射弹丸或箭石。希腊人设计的弩炮带有坚固的支架，主梁置于支架之上，其前端两侧装有两具扭力弹簧组，每个弹簧组带动一只弩臂，弩臂末端连接弓弦，弓弦正中是容纳抛射物的编制网袋。

4 历史

扭力弹簧的出现是从依靠弩臂弹性形变演变为利用杠杆原理的扭力弹簧产生发射力量，使得弩的威力大大增加，但是无法和复合弓弩比，因为结构过于复杂和笨重，即使是野战用的轻型弩炮，也要两三个人操作，如一个罗马军团5000人左右，装备弩炮只有40-50门，比例不到1%，弩炮的发射速度很慢，在野战中并不会有太大作用。在卡莱之战中，罗马人对波斯人密集的弓箭束手无策，弩炮根本没有起到任何作用。发射石弹的重型弩炮，也在由东方传入杠杆式投石机后被迅速淘汰了。在弓材料的问题上，欧洲一直没有解决，后来的西方的十字弓使用蓄力能力很差的钢材，740磅拉力下却连拉力小了十几倍的复合弓威力的一半都达不到。所以中国弩曾经领先世界2000年，最终欧洲的钢弩连中国弓的水平都赶不上。

罗马的弩炮国外有人做过实验：

“普鲁士将军Schramm在1916年复原后的希腊式巨弩。这台第二次布匿战争时期的巨弩和公元一世纪使用的车弩相比在机构上没有什么不同。后者中的一部分开始使用了铁弩架。这样在寿命上要长很多。这台巨弩在1979年的一次试验中将一支箭射出了285米远”

“Schramm用他的复原品取得了很不错的成绩。他的一种三倍宽巨弩可以将27英寸(70CM)的箭射出370米。他的最大的投石车可以将1.8kg的石块抛射到300米开外。可惜的是这两件复原品都毁于二战。”

可见，射70厘米的普通箭，其射程甚至无法达到东方单兵弩的水平。

5 生产设备

扭力弹簧是一款比较高精密的弹簧配件,生产扭力弹簧用普通的弹簧机不能满足1800度加工,一般生产扭力弹簧国内外都采用万能弹簧机生产,精度比较高,万能弹簧机能实现不同角度不同形状的成型定位,是一款比较通用的电脑数控万能机,全自动生产设备。

万能弹簧机的主要功能：

弹簧是电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或动能。

①万能弹簧机中弹簧控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。

②万能弹簧机中弹簧吸收振动和冲击能量，万能弹簧机如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。

③万能弹簧机中弹簧储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。

④万能弹簧机中弹簧用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等，弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。