波形弹簧的力学性能分析.docxVIP

波形弹簧的力学性能分析Analysis of the wave spring mechanical properties秦代成1，李慧谨1，罗丽丽1，吴军伟2QIN Dai-cheng1 波形弹簧的力学性能分析 Analysis of the wave spring mechanical properties 秦代成1，李慧谨1，罗丽丽1，吴军伟2 QIN Dai-cheng1, LI Hui-jin1, LUO Li-li1, WU Jun-wei2 （1.中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，绵阳 621900；2.中国工程物理研究院 电子工程研究所，绵阳 621900） 摘 要：以波形弹簧为研究对象，针对制造波形弹簧力学性能不稳定的问题，采用理论、有限元和实验 相结合的方式分析了波形弹簧的力学性能，得到了结构尺寸对力学性能的影响程度，根据有 限元分析结果对波形弹簧进行优化设计，减轻了波形弹簧的质量。其分析方法对波形弹簧的 设计和制造具有指导意义。 关键词：波形弹簧；力学性能；有限元分析 中图分类号：TH135 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2014)08(上)-0089-03 Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.08(上).23 0 引言 波形弹簧结构如图1所示，其要求在特定力值 于水平线上的相切得半椭圆形弹簧，将其用一条 椭圆形弧线表示，取一个波作为研究对象。如图2 所示，假设为两端自由支撑截面为矩形的梁，按 材料力学计算方法，载荷P作用于中点时，该点的 位移如式（1）所示： 下产生相应的变形范围。波形弹簧一般由薄的冷 轧弹簧钢带冲压成型，在圆周上均匀分布多个波 峰，有减振、隔振、降低噪声等作用，它的主要 特点是体积小，较小变形就能承受较大载荷且受 力均匀对称。通用弹簧的弹性性能分析、测试方 法在国标、行标中都有据可查、有依可循，而关 于波形弹簧的弹性性能研究开展比较少，卢宝生 等人对波形弹簧结构进行了优化设计[1]。本文结合 试验，采用理论推导和有限元仿真相结合的方式 对波形弹簧的力学性性能进行研究。 P δ 图2 波形弹簧受力示意图 Pl 3 (1) δ ? 48EI 式中： δ 为1/2N波簧在载荷P下的位移（mm）； l 为1/2N波簧长度（mm），l ? π Dm ； 图1 波形弹簧模型图 2 N 1 理论分析 波 浪 弹 簧 的 受 力 情 况 如 图 2 所 示 ，一 般 可 忽 E为弹性模量（N/mm2）； 1 I为截面惯性矩（mm4）， I ?? Bt 3 ； 略扭矩的影响。波浪弹簧与支撑面得接触方式， 随 着 变 形 量 的 变 化 而 变 化 ，当 变 形 量 小 于 某 定 值时，波浪弹簧与支撑面为线接触，当变形量大 于一定值时，接触变为面接触。载荷大到一定程 度，波浪弹簧全部压平。 假设将波形弹簧沿平均直径展开，转化为置 12 N为波弹波数； Dm为波弹中径（mm）； B为波弹宽度（mm）； t为波弹厚度（mm）； 整 个 波 形 弹 簧 的 总 变 形 δ总 ? 2δ ， 总 载 荷 收稿日期：2014-05-17 作者简介：秦代成（1986 -），男，重庆人，助理工程师，硕士，研究方向为非标零部件设计与制造。 第36卷 第8期 2014-08(上) 【89】 l 表1（续）P总 ? NP ：16N 4 Bt 3 EδHN Eρλ182108.1×1030.3mm(2)? 总P总π 3 D 3m上式忽略了波形弹簧受力后的径向位移，实 际上，波形弹簧受力后产生明显的 表1（续） P总 ? NP ： 16N 4 Bt 3 Eδ H N E ρ λ 1 8 210 8.1×103 0.3 mm (2) ? 总 P 总 π 3 D 3 m 上式忽略了波形弹簧受力后的径向位移，实 际上，波形弹簧受力后产生明显的径向位移，是 弹 簧 的 直 径 增 大 。为 了 更 准 确 表 示 与 变 形 的 关 系，引入修正系数K。 GPa kg/m3 Di为波簧内径，Do为波簧外径。 进行有限元分析，模型如图3所示。 ?? 1 R0 / Ri ≤ 1.3 ? K ? ? 1.25R0 ?1.45Ri 1.3 ? R / R ? 2 ? 0 i R0 ? Ri ? 式中，R0为波簧外半径；RI为波簧内半径。 16K N 4 Bt 3 Eδ 总 P ? 总 π 3 D 3 m 由式（1）可知，弹簧的载荷与弹簧的结构尺 寸、材料有关，其中，波数和厚度影响较大，与 高度无关。 图3 波形弹簧有限元模型 变形为0.7如图4所示，此时的载荷为76.4N。 2 有限元分析 有限元方法是工程结构设计的有效工具