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提高碟形弹簧承载能力及疲劳寿命的研究
添加:2017-8-12 17:29:02    游览:866    来源:网络

  【摘要】通过对碟形弹簧承受载荷状态下的应力分布情况及应力机理的研究 , 提出了高承载、耐疲劳的圆角型碟形弹簧结构形式。结合生产实际阐述了其良好的工艺性, 为此类碟形弹簧的设计提供了依据。

  【关键词】弹簧;技术改造;应力;寿命

  碟形弹簧具有刚度大、缓冲吸振能力强及结构紧凑等特点, 适合于轴向空间要求小的场合, 尤其在重型机械设备中得到了广泛的应用。《碟形弹簧国家标准》( GB 1972一80 )中给出了 A 型 ( 无支承面 )和 B 型 (有支承面) 两种类型的碟形弹簧, 按国标规定生产承受重载荷的碟形弹簧时, 弹簧往往会出现 裂纹, 寿命短 等不足。本文通过对碟形弹簧应力状态的分析, 提出了圆角型碟形弹簧的结构形式。实践表明, 圆角型碟形弹簧具有良好的工艺性, 消除了应力集中, 减少了生产中出现的裂纹现象, 提高了碟形弹簧的承载能力和疲劳寿命。

  1.碟形弹簧的应力分析

  在标准碟形弹簧的设计计算中,假定碟形弹簧的轴剖面截形在承受载荷时仍然保持不变, 而只是产生一个绕中性点 S 回转的径向力矩.这个内力矩应与载荷所产生的力矩相平衡标准型碟形弹簧的应力分布如图 1所示。应力在l、l 和 皿 处将会出现最大值。碟形弹簧 承载时 I 处的应力值虽然很大,但只是一种压应力, 对碟形弹簧的寿命影响不大。而碟形弹簧的下表面处于拉应力状态, 故互、l处有较大的应力集中, 对碟形弹簧的承载能力和疲劳寿命有很大的影响。

图 1 标准碟形弹簧的应力分布

  我们在 ZMPN 100t 万能材料试验机上对WAO15.21-19 碟形弹簧进行了疲劳试验。试件分为 5 组共20片,并在同一炉号、同一炉次 条件下对材料进行热处理,只是处理方式有所不同。加载频率为每分钟 300次,第一组试件的疲劳载荷按碟形弹簧的工作载荷进行;为了加快疲劳速度, 对其余几组试件加大了试验应力幅,试验结果见表1.

表 1 碟形弹簧的疲劳试验数据

  用扫描电镜对所有疲劳断口进行观察发现,裂纹均由II处起始,断口上均由一定的平坦区域,并可找到疲劳条带或二次裂纹,但没有发现氢脆痕迹;而其余角或端面上都呈现出韧窝花样,为瞬时断裂区。上述观察结果证实了II处是疲劳断裂的起源。

  2.预应力处理对表面电镀碟形弹簧失效的影响

  碟形弹簧经预应力处理后,材料内部与表面将产生反向残余应力。在承受工作载荷时,使材料中间部分的工作应力增加,表层工作应力减少,这样可充分发挥材料中间部分的潜力。标准型碟形弹簧经预应力处理后,I处的残余拉应力为最大,电镀过程中应力集中的I处吸聚多量的氢,形成裂纹源,并沿强压后残余应力大的方向(径向)产生氢的富集,而引起氢脆裂纹。

  3 碟形弹簧的工作状态

  碟形弹簧是成组对合装配的。无支承面的碟形弹簧因制造过程中的车削误差、冲压误差、热处理变形量及装配时的微小不同心度, 会使 碟形弹簧相互间在承受载荷状态下产生不均匀的线性接触。有支承面的碟形弹簧在自由状态下支承面与支承面相互接触的, 由于制造误差, 在承受载荷状态下也会出现不均匀的线性接触现象。不均匀的线性接触会造成碟形弹簧内部应力分布不均匀,进而影响疲劳寿命。

  4 圆角型碟形弹簧的设计

  为了提高标准型碟形弹簧的承载能力和疲劳寿命, 对其轴剖面截形进行了改进, 即将应力集中处设计成圆角, 图2 为圆角型碟形弹簧及应力分布图。这种圆角结构形式消除了应力集中现象, 避免了电镀时因应力集中而造成氢的偏聚, 可更好地防止裂纹的产生, 使其具有良好的工艺性。同时圆角型碟形弹簧在变载荷下始终保持较好的线性接触, 使其内部应力均匀分布,有助于提高其承载能力。实践证明,圆角型碟形 弹簧比标准碟形弹簧的寿命提高了15 % 左右.

图2 圆角型碟形弹簧

  在A 型、B 型 两种标准碟形弹簧的设计参数中, 仅厚度有所不同。故在外部施加相同的f=0.7 5 n 变形量时, 两弹簧负荷相等; 施加其它变形量时, 两弹簧负荷有差异。可以把 B 型碟形 弹簧看成是 A 型的“等效碟形弹簧”, 而这种“等效碟形弹簧”在G B 1972一 80 中有详细的设计计算方法。为使设计方便, 圆角型碟形 弹簧可按 照 B 型碟形 弹簧的设计方法来进行设计。但必须指出, 圆角型碟形弹簧和B型碟形弹簧的承载支点 (P’) 必须重合一致, 方可达到“等效碟形弹簧”的目的。

  5 . 结论

  (1) 圆角型碟形弹簧消除了应力集中,使其具有良好的工艺性,减少了电镀、强压过程中裂纹的产生。

  (2) 圆角型碟形弹簧的设计应力高于普通碟形弹簧的设计应力。同等规格的碟形弹簧,在承受相同载荷的情况下,圆角型的寿命要高于普通型。

  (3) 圆角型碟形弹簧在承受载荷时,相互之间始终保持较好的线性接触,使得内部应力分布均匀。

  (4) 在设计圆角型碟形弹簧时,必须按照GB 1972一80规定的“等效碟形弹簧”的设计方法来设计,即它们的承载位置必须一致。

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