機械設計 Machine Design

彈簧的應用:機槍Spring Applications

自動武器是彈簧密集應用的好例子:每發射一次,運動件(槍機、槍管或活塞)被火藥能量推向後方,壓縮彈簧把能量暫存起來,再由彈簧把運動件推回原位,同時完成退殼、供彈與上膛。本頁以示意動畫說明各機構中彈簧扮演的角色(補充說明)。

原講義的 7 段 Flash 動畫屬第三方版權,本頁已依機構原理改以自製示意動畫呈現(7 段合併為 4 段);圖中比例與數值都只是示意,重點在彈簧如何儲存與釋放能量。

左輪手槍 Revolver

雙動式左輪只靠「扣一次扳機」就完成三件事:扳機上的推桿把擊錘往後頂、壓彎握把內的主彈簧(板片彈簧);扳機上的撥爪推動轉輪尾端的棘輪,讓轉輪轉 60° 對準下一個彈膛;扣到底時推桿滑脫,主彈簧把擊錘打向前方。放開扳機後,扳機回位彈簧把扳機推回,撥爪滑回下一齒。手指做的功先存在主彈簧裡,再一次放出。

自製動畫(依機構原理建模)

加特林機槍 Gatling Gun

搖柄經齒輪帶動多支槍管繞中心軸旋轉,每支槍管各有一個槍機。槍機尾端的滾子沿固定的螺旋凸輪槽走,所以槍機前後的位置完全由「轉到的角度」決定:在上方落彈、往前推彈入膛,轉到發射位置時,另一道凸輪突然放開已被逐漸壓縮的撞針彈簧,撞針擊發;之後槍機後退抽殼。右圖把圓周凸輪展開成曲線,6 個點就是 6 個槍機,凸輪設計正是「位移—角度」的運動規劃。

自製動畫(依機構原理建模)

後座式、反衝式與導氣式 Recoil, Blowback and Gas Systems

自動武器依「用什麼力量把運動件推向後方」分成三類,但後半段都一樣:運動件壓縮復進彈簧,動能變成彈簧位能;彈簧再把它推回,途中抽殼、拋殼、從彈匣推下一發上膛。運動件與復進彈簧近似一個「質量—彈簧」系統,位移對時間是半個正弦波(下方時間圖)。

彈匣裡的托彈彈簧則一直把子彈往上推,讓下一發隨時在槍機的路徑上。

自製動畫(依機構原理建模)

彈鏈供彈、抽殼與拋殼 Belt Feed, Extraction and Ejection

供彈與退殼機構用的是較小的彈簧,但缺一不可:

自製動畫(依機構原理建模)

補充:這些機構中的彈簧都承受高頻率的變動負載,設計時要依變動負載的方法核算疲勞,並注意壓縮到並緊前的行程。

上一頁:扭轉彈簧;下一頁:板片彈簧。