膜片弹簧具有效率高、体积小、质量轻、启动较快、振动低、工作温度宽等优点，广泛应用于车载、机载红外系统及商业制冷等。微型制冷机中，膜片弹簧主要用于支撑压缩机活塞动子组件及斯特林线性制冷机的排出器组件做往复运动，保持运动过程中运动部件（活塞或排出器）与气缸之间的动态密封，并为运动部件的往复运动提供足够的轴向刚度，因此，膜片弹簧技术是微型斯特林制冷机长寿命、高可靠运行的关键技术之一。

20世纪80年代，牛津大学首次在斯特林制冷机中使用柔性膜片弹簧，并在空间长寿命应用中显示出其巨大的潜力。对膜片弹簧而言，径向刚度、轴向刚度、疲劳强度及自振频率这4个指标全面地反映了其不同方面的性能，其中膜片弹簧较大径向刚度可与间隙密封技术相结合，以实现气缸与运动部件之间无摩擦的相对运行；轴向刚度主要为运动部件往返运动提供合适的轴向回复力；膜片弹簧在工作行程下的最大应力不应超过材料本身的疲劳极限，从而满足制冷机长寿命运行；此外还应考虑工作频率下膜片弹簧不发生谐振，工作频率应避开膜片弹簧的自振频率。

分析和设计的主要原则为：

(1)膜片弹簧最大应力集中点的应力值要远低于材料的疲劳极限值，膜片弹簧材料为一种弹簧钢，材料本身最大疲劳极限值为800N/mm2,在设计过程中应力集中点应力值应小于600N/mm2;

2)膜片弹簧有足够大的径向刚度，径向刚度是实现非接触式运动的前提，足够大的径向刚度配合精密的装配可以实现活塞在运动过程中径向方向的最大偏移小于4微米；

(3)膜片弹簧自身共振频率远高于膜片弹簧的工作频率。在膜片弹簧支承系统中，膜片弹簧应具有轴向刚度小，径向刚度很大的特点。根据实际工作的需要，膜片弹簧的研究工作主要有以下三方面的内容。首先，由于工作需要，弹簧的循环次数超过20亿次，所需要对弹簧的线型、工艺孔、厚度等基本参数进行分析研究，使弹簧在工作中，各处的应力趋于一致，消除应力集中，最大应力远小于材料的 疲劳极限值其次，由于在制冷机工作过程中，膜片弹簧随主轴作高速往复运动，其运动频率受制于弹簧片固有频率为避免弹簧片板条发生共振而折断，则必须使 共振频率避开弹簧的固有频率再次。考虑到膜片弹簧在产生轴向变形时，其径向刚度会降低，为了防止弹簧失稳 ，则必须研究在轴向位移时的径向刚度。同时，膜片弹簧工作时处于运动中，因此必须研究膜片弹簧的动态刚度。

（4）膜片弹簧型线设计

膜片弹簧是支撑制冷压缩机运动活塞的一个弹性部件，其特点是轴向刚度能满足运动活塞振动要求; 径向刚度能支撑运动活塞在往复运动中不与气缸接触，从而避免产生磨损。膜片弹簧在一个平面上由两条或多条型线构成，每条型线由渐开线或渐开线组合形成。膜片弹簧分为等截面和非等截面两种类型，如图 1 所示，图 1( a) 为两臂等截面形线，图 1( b) 为三臂非等截面形线，图 1( c) 为三臂等截面膜片弹簧，图 1( d) 为三臂非等截面膜片弹簧。

在设计过程中通过改变膜片弹簧悬臂的线形、长度和厚度来满足轴向刚度和径向刚度的需要。根据支撑刚度和可靠性需要，可由一片或多片重叠组合而形成膜片弹簧组。