臺灣博碩士論文加值系統

彈簧是不可缺少的機械基本元件，從日常用品、交通工具到精密機械幾乎都必須採用，由於彈簧應用的屬性具多樣化，可影響彈簧性質的設計與製造等因素亦有多數，在設計彈簧時並無法僅考慮單方面因素就得到良好彈簧設計決定。因此，以往彈簧設計過程中需依賴設計人員的經驗判斷，在設計製造過程時亦需耗費時間及精力做測試，影響了產品的設計速度與效率，對於最終產品設計決定也就無法保證以提供最合理結果。
螺旋壓縮彈簧是最常見且最重要的彈簧類型，本研究將應用電腦輔助分析方法來進行螺旋壓縮彈簧設計程序建立，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、彈簧剛性與變形計算、靜態安全與疲勞設計理論、自然振動頻率與挫曲界限之計算。並利用Matlab軟體進行彈簧設計分析來評量其機械特性與安全因素，包括變形、靜態與疲勞安全係數以及穩定性等，並應用其GUI模組完成螺旋彈簧設計的圖形化操作介面開發，以方便設計者使用。此外為有效同時考慮各項彈簧設計製造的影響因素，最後則進行彈簧最佳化分析程序建立。本研究所討論的彈簧設計變數，以一組初始變數條件的彈簧設計，考慮在能夠滿足其限制條件下，使用最佳化程式進行彈簧最佳化分析以得到其最佳設計變數，並獲得輕量化的最佳彈簧設計分析，直接應用將有助於彈簧的材料成本降低。本文研究成果可應用於螺旋彈簧的各種設計需求的分析，希望有助於其設計規格滿足、設計效率增加以及最佳化彈簧設計目標之達成。

Springs are one kind of mechanic parts. They play the essential roles in the wide scope of devices including the daily appliances, transportation vehicles, and precision machines. Because the fields and purposes of spring applications are very different and also their influence factors of design and manufacturing are numerous. Conventionally, spring design is rather dependent on designer experience and subjective judgment. The design expending is concerned since that many costly trial efforts on time and effort are required. Thus, satisfactory quality of final design outcome cannot be assured. The helical spring is the most wide applied and essential kind of springs. Therefore, in this thesis an approach to the design execution of helical springs is proposed basing on the computer aided method. At first, the much principal theories of helical springs are explained which include geometry and dimensions, spring stress analysis, spring rate, safety and design principles of the static and fatigue aspects, natural vibration frequency, and bulking limit of spring length. Then, soft package Matlab is used to the analysis and evaluation for mechanic behaviors and design safety which have deformation, stress, static and fatigue safety factors, and stability. Besides, the GUI user interface is constructed for the convenience of designer application. Additionally, the optimal analysis function for processing a systematical design improvement of helical springs is also emphasized. The design variables in the investigation have wire diameter, mean coil diameter, pitch, and number of coils. The analysis task is starting from the resulted data of conventional design. By considering the assigned analysis constraints and after performing the optimization calculation, the optimal result of design variables to minimization the spring weight can be attained. Accordingly, material cost of spring making is reduced. The proposed process and obtained result in this study can be applied in the analyses in kinds of spring design. It also expects its application can benefit the design spec satisfaction, design efficiency improvement, and optimal achievement of design objective.

中文摘要............................................................i
英文摘要...........................................................ii
誌謝..............................................................iii
目錄..............................................................iv
圖目錄.............................................................vi
表目錄.............................................................vii
符號表.............................................................viii
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 4
1.4 內容大綱 6
第二章 彈簧種類介紹 7
2.1 圓柱螺旋彈簧種類 7
2.1.1 螺旋壓縮彈簧 7
2.1.2 螺旋拉伸彈簧 8
2.1.3 螺旋扭轉彈簧 8
2.2 各種設計的彈簧 9
2.2.1 折彎件 9
2.2.2 渦形彈簧 10
2.3 彈簧材料與製程 10
2.3.1 彈簧材料介紹 10
2.3.2 製作流程 13
2.3.3 彈簧的熱處理製程 14
2.3.4 彈簧的珠擊製程 15
2.3.5 彈簧的預壓製程 16
第三章 螺旋壓縮彈簧理論與設計18
3.1 螺旋壓縮彈簧理論 18
3.2 螺旋彈簧幾何與特性介紹 18
3.3 螺旋壓縮彈簧設計程序 22
3.3.1 相關設計及公式 23
3.4 螺旋壓縮彈簧設計操作介面流程30
3.5 螺旋壓縮彈簧最佳化分析 35
3.5.1 螺旋彈簧最佳化分析 35
第四章　 設計分析與結果討論 39
4.1 螺旋彈簧靜態分析與設計 39
4.1.1 分析一 40
4.1.2 分析二 43
4.2 螺旋彈簧疲勞分析與設計 46
4.2.1 分析三 46
4.2.2 詳細分析結果 47
第五章　 最佳化分析結果 49
5.1 分析四 49
5.1.1 輸入條件 49
5.1.2 最佳化分析結果 51
5.2 分析五 54
5.2.1 輸入條件 54
5.2.2 最佳化分析結果 57
第六章 結論 61

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