碟形弹簧的计算设计及制造

一９０一　机械设计与制造　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第１１期　２００７年１１月　文章编号：１００１—３９９７（２００７）１１－００９０—０２　碟形弹簧计算机辅助设计　徐红芹　李爱军　王红梅。（山东理工大学，淄博２５５０１２）　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃ　ｓｐｒｉｎｇ　ＸＵ　Ｈｏｎｇ－ｑｉｎ　，ＬＩ　Ａｉ￣ｕｎ２，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｍｅｉ　（Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ　２５５０１２，Ｃｈｉｎａ）　

中图分类号：ＴＨ１３５文献标识码：Ａ　１建立数学模型　碟形弹簧由于结构紧凑，加压均匀，操纵省力，并且摩擦片　磨损后，工作压力变化较小等特点，因此广泛用于汽车、拖拉机　离合器中，如图１所示。　图１碟形弹簧结构简图　

图２载荷—变形特性曲线　１．１设计变量与目标函数　在最优设计中需要确定碟形弹簧的独立参数为：内截锥高　度日；弹簧板厚度ｈ以及载荷一变形特性（　），如图２所示，后　者可保证在给定工作压力　下的变形量Ａ　的要求，因此设计　变量选作：　＝　，ｈ，Ａ　ｒ＿　１，　２，蚓　曰点为新离合器处于接合时的工作点，当摩擦片磨损△Ａ　后，工作点变为Ａ，特性曲线的拐点为Ｐ，最小载荷点为ｃ，最大　载荷点为．ｓ，Ｄ点是离合器彻底分离时的工作点，在　载荷作用　｝来稿日期：２００６—１２—２６　下，碟形弹簧的变形量扎应符合：　Ａ　＜Ａｂ＜Ａｐ。　离合器接合时工作压力为：　：　ＰＣｌＬｚｃ　式中：伊—离合器储备系数，取／３＝２．５　幌　发动机最大扭矩，Ｎ・ｍ　—摩擦表面间的摩擦系数，／４＝０．２５　—摩擦片的平均摩擦半径，ｍ　ｚ卜摩擦片总的工作面数，单片２　２　压力Ｐ与碟形弹簧变形Ａ的关系式为：　［（Ⅳ－Ａ）（　参）　］　式中：　弹性模量，钢材Ｅ＝２．０６ｘ１０５Ｎ／ｍｍ２；　波桑比，钢材／．Ｌ＝０‘３；　一弹簧板厚度，ｍｍ；　一碟形弹簧大端直径，ｍｍ；　Ａ一无因次系数。　Ａ＝—　一（　）ｚ　盯ｌａｍ　ｍ　式中：ｍ—碟形弹簧大小端直径比，本设计ｍ＝１．５１　当摩擦片磨损△Ａ后，工作点变为Ａ，这时应使其压紧力　接近于新离合器的碟形弹簧压紧力　。　摩擦片总的最大允许磨损量为：ＡＡ＝Ｚ，・ＡＳｏ　式中：△．ｓ『＿每一摩擦工作面的最大允许磨损量，ＡＳｏ＝０．５￣１．０ｍｍ　以离合器摩擦片磨损后碟形弹簧的工作压力变化即Ｉ　Ｉ　最小为优化设计目标，以保证离合器储备系数　的稳定，则目标　函数表达式为：　）＝ｆ９・０５５×１０　’Ｄ　嬲２Ａ　ｔ￣—ｌ　３）（　一０－５Ｘ３）慨丹—　Ｉ

碟形弹簧计算

碟形弹簧可以应用在许多工业领域中，如汽车制造、仪器仪表、航空航天等。在设计和选用碟形弹簧时，需要考虑其力学特性和寿命。

碟形弹簧是由许多弯曲的弹性片组成的。它的主要功能是在受到压力或拉力时产生弹性反力。碟形弹簧的力学特性主要包括刚度、变形特性和载荷能力。

首先是刚度。刚度是指碟形弹簧在单位变形下所产生的力。一般来说，刚度越大，弹簧所产生的反力就越大。刚度可以通过弹簧系数来表示，即单位变形下的力与变形量之间的比值。碟形弹簧的刚度可以根据实际应用中所需的力来计算和确定。

其次是变形特性。碟形弹簧在受力时会发生一定的弯曲变形。这种变形主要取决于碟形弹簧的材料和几何形状。计算变形特性可以通过应力-应变关系来确定，它可以描述在给定应力下弹簧的变形量。通过实验和理论模型，可以得到应力-应变曲线，并进一步了解碟形弹簧在受力时的变形特性。

最后是载荷能力。载荷能力是指碟形弹簧能够承受的最大力。一般来说，碟形弹簧的载荷能力与其刚度和几何形状有关。通过计算和实验，在设计和选用碟形弹簧时需要考虑其所需的载荷能力，以确保其能够满足实际应用中的力要求。

除了力学特性之外，寿命也是碟形弹簧设计中需要考虑的一个重要因素。碟形弹簧的寿命是指其在实际应用中能够承受的工作循环次数。寿命主要受到材料疲劳和应力集中的影响。在设计过程中，需要通过材料疲劳寿命和疲劳极限来确定弹簧的使用寿命。疲劳寿命是指在给定应力水平下，弹簧能够承受的工作循环次数。疲劳极限是指在特定应力水平下，弹簧疲劳破坏的应力。通过应力-寿命曲线可以确定碟形弹簧的寿命。

材料选择对碟形弹簧的寿命有重要影响。常见的碟形弹簧材料包括不锈钢、碳钢和合金钢。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，适用于湿润或有腐蚀性环境的应用。碳钢具有较高的刚度和较低的成本，适用于一般工业应用。合金钢具有高的疲劳强度和寿命，适用于负载较大和要求较长寿命的应用。

总之，碟形弹簧计算包括力学特性和寿命。力学特性主要包括刚度、变形特性和载荷能力，可以通过实验和分析来确定。寿命主要受到材料疲劳和应力集中的影响，可以通过材料选择和应力-寿命曲线来确定。在设计和选用碟形弹簧时，需要综合考虑这些因素，以确保其能够满足实际应用中的要求。

碟形弹簧的用法

碟形弹簧是一种常见的机械弹簧，其形状呈圆盘状，通常由金属材料制成。碟形弹簧具有优良的弹性和变形性能，被广泛应用于各种工业领域，包括机械制造、汽车制造、航空航天等。本文将介绍碟形弹簧的基本结构、工作原理、用途及制作工艺等方面的内容。

一、碟形弹簧的基本结构

碟形弹簧通常由多个弹簧片叠加而成，每个弹簧片呈圆盘状，并通过中心孔固定在一起。弹簧片的边缘通常通过边圈或法兰连接，以确保整体结构的稳定性。碟形弹簧的厚度、直径、叠加片数等参数可以根据实际需求进行设计和定制，以满足不同的工作环境和载荷要求。

二、碟形弹簧的工作原理

碟形弹簧的工作原理基于弹簧材料的弹性变形特性。当外力作用于碟形弹簧上时，弹簧片会发生弹性变形，从而储存弹性势能。当外力消失时，碟形弹簧会恢复原状，并释放储存的弹性势能，将能量传递到相邻的部件上。这种弹簧的工作原理使得碟形弹簧成为一种理想的弹簧元件，能够在各种机械系统中发挥重要作用。

三、碟形弹簧的用途

碟形弹簧在工业领域具有广泛的用途，主要包括以下几个方面：

1. 减震和减振：碟形弹簧能够吸收和消除机械系统中的振动和冲击能量，保护设备和零部件免受损坏。

2. 调节和控制：碟形弹簧可以作为调节和控制元件，用于调整各种机械系统中的压力、力量、位移等参数。

3. 储能和传动：碟形弹簧可以储存和释放弹性势能，用于驱动和传递能量，如离合器、制动器等机械装置。

4. 支撑和连接：碟形弹簧可以用于支撑和连接部件，如汽车悬架系统、工程机械支撑装置等。

四、碟形弹簧的制作工艺

碟形弹簧的制作工艺包括材料选型、成型加工、热处理等多个环节，具体包括以下几个步骤：

1. 材料选型：通常碟形弹簧采用优质的弹簧钢或不锈钢材料制作，以保证弹性和耐久性。 2. 冲压成型：材料经过冲压成型，按照设计要求形成圆盘状的弹簧片，然后再通过焊接或其他连接方式固定在一起。

一、组合碟簧变形量和载荷计算的公式

叠合组合碟簧组：

n片碟簧叠合后自由状态下的高度：

不带支撑面的碟簧L0=l0+(n−1)∙t 带支撑面的碟簧L0=l0+(n−1)∙t′

n片碟簧叠合后变形量与载荷的关系：

变形量stot=s 载荷Ftot=n∙F

对合组合碟簧组：

i片碟簧对合后自由状态下的高度：L0=i∙l0

i片碟簧对合后变形量与载荷的关系：

变形量：stot=i∙s 载荷Ftot=F

二、计算实例：

主轴拉爪有三个位置，分别是拉刀位置(中间位置)、松刀位置(最靠主轴端部)和无刀位置(最靠主轴内部)，HMS200主轴刀柄形式为BT50，设计拉刀力为25000N，拉刀位置与松刀位置间的最小距离(即打刀距离)为5.6mm。根据可用安装空间、拉刀力等因素选择碟形弹簧型号180079，两两叠合再对合的组合形式。

两片180079碟簧叠合自由状态下L叠=l0+n−1∙t‘=5.8+3.75=9.55

变形量s叠=s时，回复力F叠=2F 为不致打刀力过大(小于30000N)，采用50对两两叠合的碟簧对合，自由状态下

L对=i∙L叠=50×9.55=477.5

变形量s对=i∙s叠=50s时，回复力F对=F叠=2F

所以要想得到25000N的拉刀力，一片弹簧的回复力应为F=12500，对应的变形量为s=0.633

总变形量为s对=50×s=50×0.633=31.65，变形后碟簧组的总高度为477.5-31.65=445.85。

最小打刀距离为5.6，设计打刀距离为6，松刀位置碟簧组总变形量为31.65+6=37.65，每片碟簧变形量为37.65/50=0.753，每片碟簧回复力为14576N，理论所需打刀力2×14576=29152N;无刀状态碟簧组总变形量为31.65-10=21.65，每片碟簧变形量为21.65/50=0.433，每片碟簧回复力为8847N，所以弹簧安装时需预压21.65，预压力为8847×2=17694N，预压后碟簧高度为477.5-21.65=455.85。