卜 剛，張寶龍，高建和，郭 斌

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 廣陵學院，江蘇 揚州 225127；3.揚州核威碟形彈簧制造有限公司，江蘇 揚州 225008）

0 引言

碟形彈簧本身具有幾何非線性，有的還具有材料非線性，而組合碟簧應用時碟簧之間以及碟簧和模架之間也具有接觸非線性。因此研究具有多重非線性的組合碟簧時，往往不能根據單片碟簧的經驗公式以及性能研究方法來處理組合碟簧。本文提出一種可行的碟簧組合力學特性試驗研究方法，對碟簧組的剛度、強度和阻尼等靜動態(tài)力學特性進行分析研究，具有重要的工程意義。

1 試驗裝置的設計

根據GB／T1972－2005以及碟簧模架實際加工中的方便可行性選擇型號B16的碟簧［1］組成碟簧組合來構造具體試驗裝置，其單片碟簧幾何參數為Φ56×Φ28.5×2×3.6－B2，允許最大加載力F（f＝0.75h0）＝4 440 N，如圖1所示。其中，f為變形量，D＝56 mm，d＝28.5 mm，t＝2 mm，H0＝3.6 mm，h0＝1.6 mm。

圖1 型號B16碟形彈簧

根據所選碟簧型號設計相應模架，構成整套試驗裝置，如圖2所示。碟簧材料為60Si2Mn A，要保證底座、壓板和導柱的硬度高于碟簧硬度，達到55 HRC左右，材料需采用40Cr，并進行熱處理，且表面粗糙度低于Ra3.2。

裝置可安裝不同組合方式的碟簧組，本試驗采用單片八對合、兩疊六對合和三疊四對合（見圖3）組合形式來考察各組合方式下碟簧的力學性能。碟簧不同組合方式下該裝置的幾何參數見表1。

2 碟簧組合力學試驗方法

本文應用電測法［2］對碟形彈簧進行靜、動態(tài)測試，分析碟簧組在靜態(tài)、動態(tài)激勵下的力學性能，如承載力、剛度和阻尼等。圖4為碟簧組靜態(tài)、動態(tài)測試流程。

圖2 碟形彈簧組合試驗裝置

圖3 碟形彈簧組合形式

表1 碟簧試驗裝置幾何參數

整個試驗流程所需儀器有：DNS系列電子萬能試驗機、位移傳感器、CRAS V7.0信號采集分析系統(tǒng)、端套力傳感器（端套部分直徑方向對稱貼上兩個雙向應變片，并將應變片按全橋方式連接）。其中位移傳感器采用電測位移百分表，測試精度為0.01 mm，量程為0 mm～10 mm；CRAS V7.0信號采集分析系統(tǒng)的采樣頻率為20 Hz，采集壓力和位移的電信號。通過標定位移傳感器及端套力傳感器得到標定公式：

圖4 碟形彈簧靜、動態(tài)測試流程圖

3 碟簧組靜態(tài)試驗

碟簧表面有磷化處理、硫化處理、達克羅處理和噴涂非金屬防護層等多種處理技術，其疊合面潤滑方式也較多，如不加潤滑劑、常規(guī)油脂潤滑和二硫化鉬潤滑等方式［3］，所以不同的表面處理及潤滑狀態(tài)對碟簧的力學性能也有影響。本試驗中碟簧表面處理方式為磷化，主要考察碟簧組合方式不同及潤滑狀態(tài)不同時對其剛度、阻尼特性和承載力的影響。下面以組合方式為單片八對合常規(guī)潤滑工況靜態(tài)試驗為例進行分析。

在萬能試驗機上對碟簧緩慢施加載荷，完成一個加載卸載周期過程。定位模式為位移控制，最大壓縮量為0.75 fz，通過CRAS V7.0信號采集分析系統(tǒng)采集壓力和位移電壓信號波形，如圖5、圖6所示。

圖5 系統(tǒng)壓力－時間電壓信號

圖6 系統(tǒng)位移－時間電壓信號

使用Excel將壓力－時間信號、位移－時間信號數據進行合成，并根據標定公式（1）、（2）得出實際壓力和位移，繪制出壓力－位移曲線，即碟簧的靜態(tài)滯回曲線［4］，如圖7所示。

同理，可得到其余組合方式和潤滑狀態(tài)下碟簧的靜態(tài)滯回曲線，如圖8～圖12所示。

對各滯回曲線進行分析，得到各工況下的力學特性結果，見表2。

4 碟簧組動態(tài)試驗

碟簧動態(tài)試驗中，主要研究在常規(guī)潤滑狀態(tài)下三疊四對合組合方式下碟簧的剛度、阻尼與載荷頻率的關系。動態(tài)試驗采用低頻（0.1 Hz，0.2 Hz，0.3 Hz，0.5 Hz，0.7 Hz）和高頻（0.7 Hz，2 Hz，3 Hz，5 Hz）載荷分別進行激勵。

圖7 單片八對合常規(guī)潤滑碟簧的靜態(tài)滯回曲線

圖8 兩疊六對合常規(guī)潤滑滯回曲線

圖9 三疊四對合常規(guī)潤滑滯回曲線

圖10 單片八對合二硫化鉬潤滑滯回曲線

圖11 兩疊六對合二硫化鉬潤滑滯回曲線

圖12 三疊四對合二硫化鉬潤滑滯回曲線

試驗過程同靜態(tài)試驗一樣，得到加載頻率為0.1 Hz時的壓力－時間電壓信號和位移－時間電壓信號波形，如圖13、圖14所示。

同樣將每個頻率下得到的壓力－時間信號和位移－時間信號導入Excel中，合成碟簧組分別在低頻激勵下及高頻激勵下的滯回曲線，如圖15、圖16所示。由圖15、圖16可看出低頻激勵下，5條滯回曲線基本重合；高頻激勵下，5條滯回曲線隨頻率的增高稍有變化，并呈現一定的規(guī)律。

表2 碟簧不同組合及潤滑狀態(tài)下的力學特性

圖13 加載頻率為0.1 Hz時壓力－時間電壓信號

圖14 加載頻率為0.1 Hz位移－時間電壓信號

圖15 低頻激勵下的滯回曲線

綜合以上各組滯回曲線分析得到圖17所示碟簧剛度、阻尼與載荷頻率的關系。

5 結語

由碟簧靜態(tài)試驗可得出以下結論：①潤滑狀態(tài)相同，裝置承載力隨疊合片數增加而相應倍數增加，裝置行程隨疊合片數增加而相應倍數增加，阻尼比隨碟簧疊合片數增多而變大；②組合方式相同，常規(guī)潤滑下碟簧的加載剛度比二硫化鉬潤滑時大，而卸載剛度比二硫化鉬潤滑時小，阻尼比受二硫化鉬潤滑的影響隨疊合片數增多而變大；③試驗得到的加載曲線與理論曲線基本一致。具有一定的誤差是因為碟簧截面受載后實際存在變形，此外還受支承面摩擦、制造誤差等因素的影響，由于載荷作用點位置在壓縮量大于0.75h0時出現較大變化，而使實測曲線偏離理論曲線成上翹趨勢，其剛度增加。

由碟簧動態(tài)試驗可得出以下結論：①低頻激勵下，碟簧滯回曲線與相同工況下的靜態(tài)試驗結果相同，曲線基本一致，頻率對剛度和阻尼比影響不明顯；②高頻激勵下，碟簧滯回曲線稍有變化，碟簧剛度和阻尼比隨著加載頻率的增大有下降趨勢。

圖16 高頻激勵下的滯回曲線

圖17 碟簧剛度、阻尼比與載荷頻率的關系

［1］ 張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 張洪潤，張亞凡.傳感技術與實驗［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 黃紅軍，譚勝，胡建偉，等.金屬表面處理與防護技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［4］ Almen JO，Laszlo A.The uniform－section disc spring［J］.Trans ASME，1936，58：305－314.