钢板弹簧挠度缺陷对支撑刚度的影响分析



钢板弹簧挠度缺陷对支撑刚度的影响分析

在有弹性接头的机械设计中，经常使用钢板弹簧。钢板弹簧具有较大的面内刚度和相对较小的面外刚度，这使得所设计的弹性接头在某些方向具有很大的刚度，即支撑刚度；而在期望运动的互补方向上具有较小的刚度，即驱动刚度。

常用的设计原则是静定设计，即支撑的种类和数量与想要限制的自由度相匹配。该原则设计的优势是不会因为制造缺陷和热变形而导致大的内部应力。钢板弹簧厚度较小对于高比率的支撑刚度和驱动刚度是有利的。钢板弹簧表面平整度的缺陷与偏移有类似的效果。此外，钢板弹簧本身是个超静定结构，在无负荷的情况下其存在内应力，特别是面内残余应力大。

为了研究平整度缺陷的影响，在无负荷情况下把钢板弹簧看作为有初始挠度的梁单元进行建模，分别在平面内和空间内分析钢板弹簧的受力特性。初始缺陷由连接件的预紧力引起，钢板弹簧上部和下部的连接件引起的钢板弹簧弹性挠度用两个三级多项式进行拟合。为了简化解析表达式，挠度的测量从钢板弹簧中心线的平均位置进行。

通过对钢板弹簧受力特性分析可知，由于钢板弹簧平整度的缺陷或装配错位缺陷，当铰接点从中心位置偏移时，其支撑刚度会下降，因此钢板弹簧厚度的初始挠度对支撑刚度有显著的影响。残余应力主要影响钢板弹簧的扭转刚度，在弯曲状态下，由于残余应力较大或厚度较小而产生的扭转刚度增加，因此对于弹簧非对称弯曲结果分析有很大的实用价值。钢板弹簧所受的弯曲应力大于临界应力值时，残余应力会影响到其弯曲刚度。

刊名：Procedia IUTAM（英）

刊期：2015年第13期

作者：J.P. Meijaard

编译：王莹