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波形弹簧的力学性能分析
Analysis of the wave spring mechanical properties
秦代成!,李道,罗丽丽,吴军伟2
QIN Dai-cheng LI Hui-jin, LUO Li-li, WU Jun-wei
(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,针对制造波形弹簣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,得到了结构尺す对力学性能的影响程度,根据有
限元分祈结果対波形弹簧进行优化设计,臧轻了波形弹簣的质量。其分析方法对波形弹簣的
设计和制造具有指导意义。
关词:波形弹簣;力学性能;有限元分析
中分类号:TH135
文款标识码:A
文章编号:1009-0134(2014)08(上)-0089-03
Ooi:10.3969/」.lsn.1009-0134.2014.08(上).23
0引言
于水平线上的相切得半椭圆形弹簧,将其用一条
波形弹簧结构如图1所示,其要求在特定力值
下产生相应的变形范調。波形弹簧一般由薄的冷
椭圆形弧线表示,取一个波作为研究对象。如图2
轧弹簧钢带冲压成型,在圆周上均匀分布多个波
所示,假设为两端自由支撑截面为矩形的梁,按
峰,有减振、隔振、降低噪声等作用,它的主要
材料力学计算方法,载荷P作用于中点时,该点的
特点是体积小,较小变形就能承受较大载荷且受位移如式(1)所示:
力均匀对称。通用弹簧的弹性性能分析、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。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
图2波形弹簧受力示意图
48E7
式中:
8为1/2N波簧在载荷P下的位移(mm)
图1波形弹簧模型图
7为1∥N波簧长度(mm),1=m2an
1理论分析
E为弹性模量(Nmm2);
波浪弹簧的受力情况如图2所示,一般可忽
I为截面惯性矩(mmf),I=B3
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
N为波弹波数
值时,波浪弹簧与支撑面为线接触,当变形量大
Dn为波弹中径(mm);
于一定值时,接触变为面接触。载荷大到一定程
B为波弹宽度(mm);
度,波浪弹簧全部压平。
为波弹厚度(mm);
假设将波形弹贅沿平均直径展开,转化为置
整个波形弹簧的总变形δa=26,总载荷
改日期: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
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表1(续)
16N“BE
H
元3D
N
上式忽略了波形弹簧受力后的径向位移,实
E
10
Gpa
际上,波形弹簧受力后产生明显的径向位移,是
8.1×103
弹簧的直径增大。为了更准确表示与变形的关
入
0.3
系,引人修正系数K。
D为波簧内径,D。为波簧外径。
R。/RS1.3
进行有限元分析,模型如图3所示。
K1_1.25R2-1.45R
1.3h: Stalie Struetural 51s
RO-R
201312-1920:25
式中,R为波簧外半径;R,为波簧内半径
Dinluceaeat 2
16K'N“Bt3E6
Di silacea eat 4
3
Displaeaaat 5
Displucmmat 6
由式(1)可知,弹簧的載荷与弹簧的结构尺
寸、材料有关,其中,波数和厚度影响较大,与
高度无关。
2有限元分析
图3波形弹簧有限元模型
有限元方法是工程结构设计的有效工具,在
变形为0.7如图4所示,此时的载荷为76.4N。
静力分析中主要用于结构强度及刚度校核,采用
Statie Struetural CSIS]
有限元法对波浪弹簧的变形量进行预测分析。
Typo: Iot D Reform atia
首先利用三维软件构建三维模型,波浪弹簧
2013-12191:1g
中心线参数方程,拉伸成形。
t=0~360
x=Dn/2·cos(t)
y=D/2sin(t)
(H-t)/2·sin(Nr)
H为波簧高度。
图4变形为0.7的变形图
并将其导入 ANSYS Workbench中:定义弹簧
卸载后残余变形为0.184m,如图5所示。
的材料属性,定义约束,在柱坐标系下,约束波
L: Static Structural (SIS)
谷只能在半径方向移动;定义载荷力,当模型构
建完成,載荷、约東定义完成,建立波浪弹簧有
2013-12209:41
限元模型。在波簧分析中,有较大的变形,属于
非线性分析
0.12295
3实例
以某波形弹簧为例,参数如表1所示。要求波
簧高度压缩至0.3mm时压力为70N~110N。
表1波赞参数表
图5残余变形
参数
值
单位
高度压缩至0.3mm时,将各参数带入式(2
22.
5
得:載荷Pa=117.12N。
有限元与理论分析得到的载荷与变形关系对
比如图6所示,在载荷较小的时候,有限元结果与
0.2
mn
理论结果基本重合,随着载荷的增加,有限元结
90】第36卷第8期2014-08(上