一种碟形弹簧力学特性的试验研究方法

卜 刚，张宝龙，高建和，郭 斌

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.扬州大学 广陵学院，江苏 扬州 225127；3.扬州核威碟形弹簧制造有限公司，江苏 扬州 225008）

0 引言

碟形弹簧本身具有几何非线性，有的还具有材料非线性，而组合碟簧应用时碟簧之间以及碟簧和模架之间也具有接触非线性。因此研究具有多重非线性的组合碟簧时，往往不能根据单片碟簧的经验公式以及性能研究方法来处理组合碟簧。本文提出一种可行的碟簧组合力学特性试验研究方法，对碟簧组的刚度、强度和阻尼等静动态力学特性进行分析研究，具有重要的工程意义。

1 试验装置的设计

根据GB／T1972－2005以及碟簧模架实际加工中的方便可行性选择型号B16的碟簧［1］组成碟簧组合来构造具体试验装置，其单片碟簧几何参数为Φ56×Φ28.5×2×3.6－B2，允许最大加载力F（f＝0.75h0）＝4 440 N，如图1所示。其中，f为变形量，D＝56 mm，d＝28.5 mm，t＝2 mm，H0＝3.6 mm，h0＝1.6 mm。

图1 型号B16碟形弹簧

根据所选碟簧型号设计相应模架，构成整套试验装置，如图2所示。碟簧材料为60Si2Mn A，要保证底座、压板和导柱的硬度高于碟簧硬度，达到55 HRC左右，材料需采用40Cr，并进行热处理，且表面粗糙度低于Ra3.2。

装置可安装不同组合方式的碟簧组，本试验采用单片八对合、两叠六对合和三叠四对合（见图3）组合形式来考察各组合方式下碟簧的力学性能。碟簧不同组合方式下该装置的几何参数见表1。

2 碟簧组合力学试验方法

本文应用电测法［2］对碟形弹簧进行静、动态测试，分析碟簧组在静态、动态激励下的力学性能，如承载力、刚度和阻尼等。图4为碟簧组静态、动态测试流程。

图2 碟形弹簧组合试验装置

图3 碟形弹簧组合形式

表1 碟簧试验装置几何参数

整个试验流程所需仪器有：DNS系列电子万能试验机、位移传感器、CRAS V7.0信号采集分析系统、端套力传感器（端套部分直径方向对称贴上两个双向应变片，并将应变片按全桥方式连接）。其中位移传感器采用电测位移百分表，测试精度为0.01 mm，量程为0 mm～10 mm；CRAS V7.0信号采集分析系统的采样频率为20 Hz，采集压力和位移的电信号。通过标定位移传感器及端套力传感器得到标定公式：

图4 碟形弹簧静、动态测试流程图

3 碟簧组静态试验

碟簧表面有磷化处理、硫化处理、达克罗处理和喷涂非金属防护层等多种处理技术，其叠合面润滑方式也较多，如不加润滑剂、常规油脂润滑和二硫化钼润滑等方式［3］，所以不同的表面处理及润滑状态对碟簧的力学性能也有影响。本试验中碟簧表面处理方式为磷化，主要考察碟簧组合方式不同及润滑状态不同时对其刚度、阻尼特性和承载力的影响。下面以组合方式为单片八对合常规润滑工况静态试验为例进行分析。

在万能试验机上对碟簧缓慢施加载荷，完成一个加载卸载周期过程。定位模式为位移控制，最大压缩量为0.75 fz，通过CRAS V7.0信号采集分析系统采集压力和位移电压信号波形，如图5、图6所示。

图5 系统压力－时间电压信号

图6 系统位移－时间电压信号

使用Excel将压力－时间信号、位移－时间信号数据进行合成，并根据标定公式（1）、（2）得出实际压力和位移，绘制出压力－位移曲线，即碟簧的静态滞回曲线［4］，如图7所示。

同理，可得到其余组合方式和润滑状态下碟簧的静态滞回曲线，如图8～图12所示。

对各滞回曲线进行分析，得到各工况下的力学特性结果，见表2。

4 碟簧组动态试验

碟簧动态试验中，主要研究在常规润滑状态下三叠四对合组合方式下碟簧的刚度、阻尼与载荷频率的关系。动态试验采用低频（0.1 Hz，0.2 Hz，0.3 Hz，0.5 Hz，0.7 Hz）和高频（0.7 Hz，2 Hz，3 Hz，5 Hz）载荷分别进行激励。

图7 单片八对合常规润滑碟簧的静态滞回曲线

图8 两叠六对合常规润滑滞回曲线

图9 三叠四对合常规润滑滞回曲线

图10 单片八对合二硫化钼润滑滞回曲线

图11 两叠六对合二硫化钼润滑滞回曲线

图12 三叠四对合二硫化钼润滑滞回曲线

试验过程同静态试验一样，得到加载频率为0.1 Hz时的压力－时间电压信号和位移－时间电压信号波形，如图13、图14所示。

同样将每个频率下得到的压力－时间信号和位移－时间信号导入Excel中，合成碟簧组分别在低频激励下及高频激励下的滞回曲线，如图15、图16所示。由图15、图16可看出低频激励下，5条滞回曲线基本重合；高频激励下，5条滞回曲线随频率的增高稍有变化，并呈现一定的规律。

表2 碟簧不同组合及润滑状态下的力学特性

图13 加载频率为0.1 Hz时压力－时间电压信号

图14 加载频率为0.1 Hz位移－时间电压信号

图15 低频激励下的滞回曲线

综合以上各组滞回曲线分析得到图17所示碟簧刚度、阻尼与载荷频率的关系。

5 结语

由碟簧静态试验可得出以下结论：①润滑状态相同，装置承载力随叠合片数增加而相应倍数增加，装置行程随叠合片数增加而相应倍数增加，阻尼比随碟簧叠合片数增多而变大；②组合方式相同，常规润滑下碟簧的加载刚度比二硫化钼润滑时大，而卸载刚度比二硫化钼润滑时小，阻尼比受二硫化钼润滑的影响随叠合片数增多而变大；③试验得到的加载曲线与理论曲线基本一致。具有一定的误差是因为碟簧截面受载后实际存在变形，此外还受支承面摩擦、制造误差等因素的影响，由于载荷作用点位置在压缩量大于0.75h0时出现较大变化，而使实测曲线偏离理论曲线成上翘趋势，其刚度增加。

由碟簧动态试验可得出以下结论：①低频激励下，碟簧滞回曲线与相同工况下的静态试验结果相同，曲线基本一致，频率对刚度和阻尼比影响不明显；②高频激励下，碟簧滞回曲线稍有变化，碟簧刚度和阻尼比随着加载频率的增大有下降趋势。

图16 高频激励下的滞回曲线

图17 碟簧刚度、阻尼比与载荷频率的关系

［1］ 张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 张洪润，张亚凡.传感技术与实验［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 黄红军，谭胜，胡建伟，等.金属表面处理与防护技术［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

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