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研究生: 莊竣翔
Chuang, Chun-Hsiang
論文名稱: 新型扭力彈簧的設計與分析
Design and Analysis of An Alternative Torsional Spring
指導教授: 黃才烱
Huang, Tsai-Jeon
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 111
中文關鍵詞: 壓縮彈簧新型扭力彈簧最佳化分析彈簧試算表
外文關鍵詞: Compression Spring, Alternative Torsional Spring, Optional design, Spring Calculator
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  • 彈簧是常見的機械元件,從日常用品、交通工具到精密機械幾乎都會採用,由於彈簧應用的屬性具多樣化,所要求的強度與壽命也會有所不同,這會影響彈簧性質的設計與製造等因素,且在設計彈簧時並無法僅考慮單個因素去明顯改善彈簧的性能。所以以往彈簧設計過程中需依賴設計人員的經驗判斷,在製造過程時需耗費時間和金錢,因此本研究以有限元素軟體模擬驗證與彈簧製作規範加入最佳化理論去製訂一個完整的彈簧設計流程。本研究分別探討壓縮彈簧與新型扭力彈簧兩種彈簧的設計與分析。
    本研究一開始以機車避震器中壓縮彈簧當做壓縮彈簧的例子,先說明螺旋壓縮彈簧所需理論基礎,包括幾何尺寸關係、彈簧應力分析與彈簧疲勞設計理論,利用有限元素軟體模擬壓縮彈簧受負載的狀況,與理論值做驗證,驗證模擬結果是否正確,之後利用壓縮彈簧的概念與改良,設計一個新型扭力彈簧使用在模擬老化生理功能之高齡者模擬體驗裝上,模擬生理功能老化方面,在手肘關節活動作阻礙功能之設計。一開始對新型扭力彈簧做理論之分析,之後建立模型做有限元素分析,進行壓縮彈簧模擬找到靜態剪應力,探討新型扭力彈簧之靜態剪應力修正因子,將新型扭力彈簧的理論公式做修正,最後利用EXCEL最佳化(規劃求解)功能建立壓縮彈簧與新型扭力彈簧試算表,目標是設計輕量且壽命符合標準的彈簧。

    Springs are common mechanical components, not only use from daily necessities, but also use vehicle and precision Machinery. Springs have difference applications, so their requirements are manifold, for example, strength and lifetime. It will affect the design and manufacture of springs and other properties factors. However, designing the springs can’t be considered only single factor to improve the performance of the springs. Therefore, the conventional springs design process need to rely on experience designers. Manufacture process need to spend time and money, so the study uses finite element software and optional design principle to develop a new spring production of design flow. The study designs and analysis of compression springs and alternative torsional springs.
    In this study, locomotive compression spring shock absorber is a compression spring example. First, describes helical compression spring fundamental, including the geometry, fatigue stress analysis and design theory, and then uses the finite element simulation software to load the compression spring, and compares simulate data with theoretical values to verify our model. In addition, this study uses the concept of compression springs to innovate the new type of torsion to apply aging suit. When the young wear the aging suit, they may feel like elder and hard to exercise. Builds the alternative torsional spring model, and simulate static loading on torsional spring to find their correction factor for transverse shear. Derive torsional spring equations. Finally, Using Excel Optimizer (solver) function to create a compression springs and torsion springs calculator.

    摘要 I 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 符號說明 XVI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 論文架構 4 第二章 研究背景 8 2.1 彈簧相關資料介紹 8 2.1.1 彈簧種類 8 2.1.2 彈簧材料 14 2.1.3 壓縮彈簧基本符號與公式 17 2.1.4 受靜力下壓縮彈簧的應力與應變分析 21 2.1.5 壓縮彈簧運用-機車避震器彈簧 22 2.2 疲勞壽命理論 24 2.2.1 變應力的種類與特性 25 2.2.2 應力壽命曲線數學公式 27 2.2.3 線性累積破壞定律 29 2.2.4 彈簧疲勞強度之各因素影響 30 2.3 電腦數值模擬與理論基礎 31 第三章 壓縮彈簧模型模擬與尺寸試算表建立 34 3.1 壓縮彈簧模型建立 34 3.1.1 壓縮彈簧模型模擬設定 37 3.2 靜態負載模擬分析 39 3.2.1 壓縮彈簧靜態分析 40 3.2.2 壓縮彈簧端面設計靜態比較 45 3.3 壓縮彈簧設計基準 52 3.4 最佳化理論 54 3.4.1 廣義簡約梯度法(Generalized Reduced Gradient method,GRG nonlinear) 55 3.4.2 彈簧最佳化數學方程式 60 3.5 彈簧尺寸試算表 63 3.6 小結 67 第四章 新型扭力彈簧模型模擬與尺寸試算表建立 68 4.1 新型扭力彈簧應用 68 4.2 新型扭力彈簧理論推導 71 4.3 新型扭力彈簧模型建立 73 4.3.1 新型扭力彈簧模型模擬設定 80 4.4 新型扭力彈簧壓縮模擬 82 4.4.1 新型扭力彈簧壓縮模擬 82 4.4.2 新型扭力彈簧修正因子 92 4.5 新型扭力彈簧尺寸試算表 100 4.6 肘關節限制束套扭力彈簧機構 102 4.7 小結 107 第五章 結論與建議 108 5.1 結論 108 5.2 建議與未來發展 109 參考文獻 110

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    下載圖示 校內:2019-08-18公開
    校外:2021-08-18公開
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