劍桿織機電磁離合器與制動器彈簧片的有限元計算與設計.docx

劍桿織機電磁離合器與制動器彈簧片的有限元計算與設計黃大宇王曉璐(中原工學院 450007)摘要根據(jù)波形彈簧片的結(jié)構(gòu)特點與受力情況 ,建立了波形彈簧片的受力的數(shù)學力學模型 ,應用有限元法計算出片中各節(jié)點的應力與變形 ,確定了彈簧片的波形曲面尺寸 ,以此為依據(jù)制造出沖壓 模具及波形彈簧片 ,各項技術(shù)指標達到進口產(chǎn)品性能 ,實現(xiàn)了該產(chǎn)品的國產(chǎn)化 。關(guān)鍵詞波形彈簧片波形曲面有限元計算應力與變形劍桿織機軸端的電磁離合器與制動器均使用波形彈簧片來傳遞動力與實現(xiàn)離合 ,彈簧片的波形曲 面是影響其使用性能的重要技術(shù)參數(shù) ,合理的波形曲面能保證離合器與制動器啟動響應快 、傳動過程 平穩(wěn) 、使用壽命長 ,同時也影響到波形彈簧片的沖壓 加工及熱處理工藝 ,是電磁離合器與制動器的關(guān)鍵 技術(shù)之一 。采用有限元法分析計算彈簧片中的應力 與變形 ,確定了彈簧片的波形曲面尺寸 ,制造出彈簧片的沖壓模 ,并改進了熱處理工藝 ,生產(chǎn)出與國外產(chǎn) 品性能相同的系列化產(chǎn)品 ?？棛C制造廠家開始采用圓柱面配合直線母線回轉(zhuǎn) 360形成波形曲面的方法 ,生產(chǎn)的彈簧片無法滿 足技 術(shù) 條 件 。隨 后 改 為 正 弦 曲 線 配 合 直 線 母 線360旋轉(zhuǎn)形成波形曲面 ,具體方法是以 Z = sin 2t03的正 弦 曲 線 為 基 礎 , 將 此 曲 線 彎 曲 作 為 導 線 。在xoy 平面內(nèi)形成半徑 R 的投影圓 ,以過原點的直線 作母線 ,沿彎曲正弦曲線旋轉(zhuǎn) ,形成所求的曲面 。空22 )間曲面方程 為 : Z = Ay (3 x- y。但 是 , 制 造 出 的22 )R ( x + y彈簧片也不能滿足技術(shù)條件 。故改用有限元法計算波形片的變形量及空間尺寸 ,作為設計零件和沖壓 模的依據(jù) 。1 . 2計算原理波形彈簧片屬于非線性大變形彈性元件 ,其內(nèi)計算模型與原理11 . 1 計算模型波形彈簧片的成品零件見圖 1 所示 , 片厚 0 . 7 mm ,在一個圓周上作出 3 個波形 。波形彈簧片材質(zhì) 為沉淀強化半奧氏體不銹鋼 0Cr17Ni7Al ,彈性模量 E = 2 . 0343 105 M Pa ,泊松比 0 . 3 。具體的技術(shù)要求為 : 在壓平狀態(tài)下波簧外徑為180 mm ;在 180 mm 的切向平面內(nèi)作出 3 個波形 , 波峰波谷間圓滑連接 ;在 20 kg 軸向載荷作用下 ,彈 簧片能完全壓平 ;壓平狀態(tài)下與銜鐵外圓無間隙 ,與 銜鐵內(nèi)圓間隙小于 0 . 1 mm ;硬度 HRC4246 。1部受力為三維應力 。滿足如下方程應力平衡方程 :9x 9xy 9xz+= 09x9y9z9y 9yx 9yz+= 0(1)9y9x9z9z 9zy 9zx+= 09z9y9x應力與形變的關(guān)系方程 :2(1 + v) A2 + 9= 0x9x22(1 + v) A2 + 9= 0y9y22(1 + v) A2 + 9= 0(2)z9z222 9 (1 + v) Axy + 9x9y = 0圖 1波形彈簧結(jié)構(gòu)紡織機械 2009 年第 3 期研究與應用 272+ 9 = 0位移量呈正弦波變化 ,但隨半徑加大 ,各網(wǎng)格節(jié)點的軸向位移逐漸增加 。即最大軸向變形量在彈簧片外 圓周 R = 90 mm 處 。(1 + v) A2yz9y9z2+ 9 = 0(1 + v) A2zx9z9x式中 :平均正應力 =x +y +z1 . 3 計算過程因波形彈簧片的 3 個波峰與 3 個波谷沿圓周方 向均勻 分 布 , 間 隔 為 60, 根 據(jù) 形 狀 與 尺 寸 的 對 稱性 ,計算時取 13 圓環(huán)面為計算對象 。由于計算目 標是求出彈簧片整體的變形量 ,為簡化計算 ,略去片 上螺栓孔 ,將孔周圍的環(huán)形面積上軸向載荷簡化為 節(jié)點上的軸向集中載荷 ,圓環(huán)長度中點沿軸向施加 一個與實際受力相同的 6 . 67 kg 集中載荷 ,為彈簧 片波峰位置 ,13 圓環(huán)兩端為固定端 ,為波谷位置 。采用 AD INA8 . 4 有限元計算軟件計算 ,半徑方 向長度步長取r = 2 . 8125 mm ,圓周方向角度步長= 3,因彈簧片較薄 ,軸向方向計算單元尺寸取彈 簧片厚度 ,采用三維薄殼模型計算2 。劃分得出計算網(wǎng)格如圖 2 所示 。圖 3圓周方向節(jié)點軸向位移量( 1)圖 4圓周方向節(jié)點軸向位移量( 2)圖 2波形彈簧有限元網(wǎng)格由于具有正交邊界結(jié)構(gòu) ,劃分的單元為六面體八結(jié)點單元 ,數(shù)值積分階數(shù)為 2 2 。因所求未知函 數(shù)是變形位移量 ,單元內(nèi)應力修勻采用總體應力磨平方法3 4。圖 5圓周方向節(jié)點軸向位移量( 3)2 計算結(jié)果分析及應用2 . 1變形位移量分析采用 AD INA8 . 4 有限元軟件計算 ,求出了波形 彈簧片圓環(huán)上各網(wǎng)格單元的軸向及圓周方向和半徑方向位移量的數(shù)值 ,輸出相應的數(shù)值文件5 。對比 3 個方向位移 ,軸向位移量為主要變形量 , 是決定波形彈簧片模具曲面的主要參數(shù) ,在圓周方 向各條網(wǎng)格線的節(jié)點上 ,產(chǎn)生軸向位移量見圖 3 圖 5 所示 。半徑一定時 ,圓周方向的各節(jié)點的軸向圖 6波形彈簧片受力變形立體網(wǎng)格28 研究與應用紡織機械 2009 年第 3 期波形彈簧片受力后總體變形立體網(wǎng)格見圖 6 所示 。從圖 3 圖 6 可知彈簧片變形是三維 ,國內(nèi)廠 家在前期試制中設計的圓柱面配合直線母線形成回 轉(zhuǎn)波形曲面以及正弦波配合直線母線形成回轉(zhuǎn)曲面 均與之有較大偏差 ,主要是彈簧內(nèi)周軸向位移偏大 ,使得制造出的彈簧片無法在規(guī)定軸向載荷下壓平 。波形彈簧片的平面位移量相對較小 ,波形彈簧 片各網(wǎng)格節(jié)點的平面位移量列于表 1 ,由于彈簧片 幾何圖形及受力及變形關(guān)于 y 軸對稱 ,故只列出 060內(nèi)的數(shù)據(jù) 。表 1波形彈簧片各網(wǎng)格節(jié)點的平面位移量徑徑注 :表中每一半徑處 :上行為 x 方向位移 , 下行為 y 方向位移 。 半(mm)03691215182124273067 . 50- 0 . 001- 0 . 002- 0 . 0010 . 0010 . 0030 . 0070 . 0110 . 0140 . 0170 . 019- 0 . 957- 0 . 947- 0 . 919- 0 . 874- 0 . 814- 0 . 743- 0 . 662- 0 . 574- 0 . 483- 0 . 391- 0 . 30370 . 31250000 . 0010 . 0040 . 0070 . 0110 . 0160 . 020 . 0230 . 024- 1 . 058- 1 . 047- 1 . 016- 0 . 966- 0 . 901- 0 . 823- 0 . 735- 0 . 642- 0 . 545- 0 . 447- 0 . 3533 . 125000 . 0010 . 0030 . 0060 . 010 . 0150 . 020 . 0250 . 0280 . 03- 1 . 163- 1 . 151- 1 . 115- 1 . 06- 0 . 988- 0 . 903- 0 . 809- 0 . 709- 0 . 606- 0 . 503- 0 . 40375 . 938000 . 0010 . 0040 . 0080 . 0140 . 0190 . 0250 . 030 . 0330 . 035- 1 . 271- 1 . 258- 1 . 218- 1 . 157- 1 . 077- 0 . 985- 0 . 884- 0 . 777- 0 . 667- 0 . 558- 0 . 45278 . 75000 . 0020 . 0050 . 010 . 0170 . 0230 . 030 . 0350 . 0390 . 041- 1 . 385- 1 . 37- 1 . 324- 1 . 255- 1 . 168- 1 . 068- 0 . 959- 0 . 845- 0 . 728- 0 . 613- 0 . 50181 . 563000 . 0020 . 0060 . 0120 . 020 . 0270 . 0340 . 040 . 0450 . 047- 1 . 505- 1 . 487- 1 . 435- 1 . 356- 1 . 26- 1 . 151- 1 . 034- 0 . 912- 0 . 789- 0 . 667- 0 . 54984 . 3750- 0 . 0010 . 0020 . 0070 . 0140 . 0230 . 0310 . 0390 . 0460 . 0510 . 053- 1 . 633- 1 . 61- 1 . 549- 1 . 46- 1 . 353- 1 . 235- 1 . 109- 0 . 979- 0 . 849- 0 . 72- 0 . 59687 . 18750- 0 . 0010 . 0010 . 0070 . 0160 . 0260 . 0360 . 0450 . 0520 . 0570 . 06- 1 . 769- 1 . 74- 1 . 666- 1 . 565- 1 . 448- 1 . 319- 1 . 184- 1 . 046- 0 . 908- 0 . 772- 0 . 642900- 0 . 00300 . 0070 . 0180 . 0290 . 040 . 050 . 0580 . 0640 . 067- 1 . 92- 1 . 876- 1 . 785- 1 . 672- 1 . 543- 1 . 404- 1 . 259- 1 . 112- 0 . 966- 0 . 823- 0 . 686 半(mm)3336394245485154576067 . 50 . 0190 . 0160 . 0120 . 0070 . 002- 0 . 001- 0 . 002- 0 . 00100- 0 . 221- 0 . 149- 0 . 092- 0 . 05- 0 . 024- 0 . 012- 0 . 009- 0 . 008- 0 . 005070 . 31250 . 0240 . 0220 . 0180 . 0120 . 0070 . 0030 . 001000- 0 . 266- 0 . 188- 0 . 124- 0 . 075- 0 . 041- 0 . 022- 0 . 012- 0 . 008- 0 . 004073 . 1250 . 030 . 0270 . 0230 . 0180 . 0120 . 0070 . 0030 . 00100- 0 . 31- 0 . 226- 0 . 155- 0 . 098- 0 . 057- 0 . 031- 0 . 016- 0 . 008- 0 . 003075 . 9380 . 0350 . 0330 . 0290 . 0230 . 0170 . 0110 . 0060 . 00200- 0 . 353- 0 . 263- 0 . 185- 0 . 121- 0 . 073- 0 . 04- 0 . 019- 0 . 008- 0 . 003078 . 750 . 0410 . 0380 . 0340 . 0280 . 0210 . 0140 . 0080 . 0040 . 0010- 0 . 396- 0 . 3- 0 . 216- 0 . 145- 0 . 09- 0 . 05- 0 . 024- 0 . 009- 0 . 002081 . 5630 . 0470 . 0440 . 0390 . 0330 . 0250 . 0180 . 0110 . 0060 . 0020- 0 . 438- 0 . 336- 0 . 246- 0 . 169- 0 . 108- 0 . 061- 0 . 029- 0 . 01- 0 . 001084 . 3750 . 0530 . 050 . 0450 . 0380 . 030 . 0220 . 0140 . 0080 . 0030- 0 . 479- 0 . 371- 0 . 275- 0 . 193- 0 . 125- 0 . 072- 0 . 035- 0 . 0110087 . 18750 . 060 . 0570 . 0510 . 0440 . 0350 . 0260 . 0180 . 0110 . 0060- 0 . 518- 0 . 405- 0 . 303- 0 . 214- 0 . 141- 0 . 083- 0 . 04- 0 . 0120 . 0010900 . 0670 . 0640 . 0580 . 050 . 0410 . 0310 . 0220 . 0150 . 0090- 0 . 556- 0 . 437- 0 . 329- 0 . 235- 0 . 155- 0 . 091- 0 . 043- 0 . 0120 . 0030紡織機械 2009 年第 3 期研究與應用 29基于 La b VIEW 的單圓盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動分析王慧(德州學院 253023)摘要通過對單圓盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實驗 ,利用圖形化編程語言 L abV I EW ,對不平衡振動信號進行了多種分析處理 ,最終計算出不平衡振動量的幅值與相位 ,確定不平衡量的位置 ,為利用軟 件解決旋轉(zhuǎn)機械的動平衡問題提供了重要依據(jù) 。關(guān)鍵詞L abV I EW單圓盤柔性轉(zhuǎn)子頻譜分析相關(guān)分析由于設計 、結(jié)構(gòu) 、材質(zhì)不均勻以及制造安裝誤差等原因 ,所有實際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少 的偏離其旋轉(zhuǎn)軸線 。這樣 ,當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時 ,轉(zhuǎn)子各微元質(zhì)量的離心慣性力所組成的力系不是一個平衡力系 。這種情況稱為轉(zhuǎn)子具有不平衡或失衡 。研究表 明 ,旋轉(zhuǎn)機械的振動主要是由不平衡引起的 ,尤其在 高速旋轉(zhuǎn)機械中表現(xiàn)得更為顯著 。因此 ,對于各類旋轉(zhuǎn)機械 ,在制造和使用時都要對轉(zhuǎn)子或整機進行 嚴格的 、符合標準要求的動平衡 。本課題利用單圓 盤柔 性 轉(zhuǎn) 子 實 驗 臺 , 采 用 圖 形 化 編 程 語 言 L ab2V I EW ,對實驗臺的不平衡振動信號進行分析處理 。1圖形化編程語言 La b VIEWL abV I EW (L abo rato ry Virt ual Inst rument Engi2neering Wo r kbench ,實驗室虛擬儀器工作平臺) 是美國國 家 儀 器 ( N I) 公 司 開 發(fā) 的 一 種 基 于 G 語 言( Grap hical Programming L anguage) 的可視化開發(fā)平 臺 。L abV I EW 語言是把繁瑣 、費時的代碼編寫 輸 入 ,簡化為使用菜單圖標提示的方法選擇功能 ,并用 線條把各種功能連接起來的簡單圖形編程方式 。降 低了從表 1 可知 ,波形彈簧片在 x 、y 平面內(nèi)的變形量遠小于軸向變形量數(shù)值 ,且 y 方向變形量多為負 值 ,故在設計沖壓模時可不考慮彈簧片平面內(nèi)的變 形 ,仍按毛坯零件的尺寸設計沖壓模的內(nèi)外圓周 。2 . 2 計算結(jié)果檢驗與應用將有限元計算的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)