组合碟簧的刚度研究

　　0　引言

　　碟形弹簧简称碟簧,它是一种由钢板冲压成碟形的薄板弹簧,体积小,承载能力大,加压均匀,缓冲和减震能力强,采用不同的组合(叠合或对合)可以得到不同的负荷、非线性、渐增性、零刚度及负刚度的变性特性曲线.它最显著的优点是能在很小的变形条件下,承受范围变化很大的载荷,从而可以大大地减小主机的体积和重量,节约能源.所以它广泛应用于钻机、模具、液压件、制动器及军工中.碟簧的主要尺寸有外径D,内径d,锥高度h,厚度t,一般在一端受载,另一端支于某一支承面上,其主要结构和尺寸如图1所示.

　　对于碟形弹簧的计算,国标中的计算方法采用的是Almen2Laszlo公式,它是美国学者J.O.Al2men和A. Laszlo于1936年提出的近似解(简称A—L解)[1],该解法假定矩形剖面不变形,而只是绕某一翻转中心转动一个角度而本身并不变形,由力矩平衡原理而得到的文献[2]仿效A—L的推导,将假设条件作了改动,得到了更准确的计算方法.文献[3]应用有限元法(FEM)对碟簧进行计算,并和试验结果做了比较[3].文献[4]运用板壳理论中的具有初始曲率大挠度薄板弯曲模型,获得了新的设计计算解析解,比近似解的精度高.文献[5-6]采用有限单元法分析碟簧的非线性特性,得出精度比较高的解.文献[7]考虑了由摩擦力所产生的碟簧滞后功的计算问题.以上所述的解法都是对碟簧静态力学性能进行的分析研究,对于包含几何非线性和接触非线性的组合碟簧进行准静态或动态分析,对碟簧在工作中的实际变形进行数值模拟的研究比较少.随着工程技术的发展,越来越多地需要适用于大中型工程的碟簧减震系统,单片碟簧就难以满足要求,所以对于组合碟簧的研究就更加重要.由于组合碟簧具有几何非线性和接触非线性,并且碟簧在实际工作环境中承受静载荷的情况也是较少的,大部分处于准静态或动态载荷作用下,因此对于组合碟簧的选型,上述的计算方法就有不足之处.

　　LS—DYNA是功能齐全的非线性显式分析程序包,它的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题.笔者在考虑碟簧的实际工作特点以及几何非线性和接触非线性基础上,利用有限元软件ANSYS/LS—DYNA对叠合碟簧的连续加载以及加载—卸载过程进行数值模拟,结果和试验数据符合较好,从而为在工程实际应用中选择组合碟簧提供了一个简便正确的方法.

　　1　碟簧载荷—变形特性试验

　　试验选取国标GB/T 1972—2005中A系列的碟簧,尺寸规格为:D=315,d=161.6,h=7, H=25, t=18,单位均为mm.

　　试验时将3片碟簧为一组进行叠合, 3组对合组成复合组合碟簧.对于复合组合碟簧,对合成倍增加变形,叠合成倍提高承载能力,当碟簧用于动态过程,由于其结构和变形的特点,阻尼总是伴随着变形的过程自动产生[8],而叠合会增加阻尼,因此加载曲线和卸载曲线是不重合的,本试不但测试了加载曲线而且测试了卸载曲线,从而对于碟簧的变形过程有更加具体的了解.