矩形截面彈簧墊圈在重型工程機(jī)械變速箱中的設(shè)計(jì)分析

朱云開

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院南通校區(qū)，江蘇南通226006）

矩形截面彈簧墊圈在重型工程機(jī)械變速箱中的設(shè)計(jì)分析

朱云開

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院南通校區(qū)，江蘇南通226006）

本文通過對(duì)某工程機(jī)械變速箱中應(yīng)用的矩形截面彈簧墊圈進(jìn)行負(fù)荷、應(yīng)力及撓曲的計(jì)算分析，從而得知工程機(jī)械運(yùn)行過程中，彈簧墊圈的負(fù)荷及內(nèi)部應(yīng)力情況，并介紹了在某工程機(jī)械變速箱中選擇矩形截面彈簧墊圈時(shí)，應(yīng)考慮的具體使用要求。

矩形截面；彈簧墊圈；負(fù)荷

重型工程機(jī)械是我國當(dāng)前建筑、道橋、土方等施工中的一種主要機(jī)械，尤以履帶式應(yīng)用更為廣泛，其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)一般主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、主離合器、聯(lián)軸器、變速箱、轉(zhuǎn)向離合器及驅(qū)動(dòng)鏈輪等幾部分組成。其中，變速箱作為工程機(jī)械中央傳動(dòng)單元，在工程機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行中起著將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力按需要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩后傳動(dòng)到行走機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)輪上，使之適應(yīng)工程機(jī)械運(yùn)行或作業(yè)的作用，是傳動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)部件。

圖1為某型號(hào)工程機(jī)械的變速箱結(jié)構(gòu)原理圖，其主要采用行星排動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，行星排齒圈采用濕式摩擦片式離合器制動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要對(duì)某擋位行星排齒圈制動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)離合器油腔充油，在液壓油壓力的作用下，活塞將原本和行星排齒圈結(jié)合的摩擦片與固定與箱體上的光片壓緊，在摩擦力的作用下，摩擦片與光片合為一體，被箱體制動(dòng)。

圖1　變速箱結(jié)構(gòu)原理

本文主要對(duì)某工程機(jī)械中變速箱的關(guān)鍵部件——矩形截面彈簧墊圈的選取與設(shè)計(jì)做重點(diǎn)分析。

1　彈簧設(shè)計(jì)

（1）彈簧類型的選取

彈簧的類型和特性將直接關(guān)系到變速箱的可靠性和結(jié)構(gòu)尺寸大小。圓形截面彈簧墊圈結(jié)構(gòu)簡單，制造較為方便，負(fù)荷特性曲線接近直線，剛度較穩(wěn)定。矩形截面彈簧墊圈比圓形截面的剛度大，吸收的能量多，特性曲線更接近于直線，剛度更接近于常數(shù)。當(dāng)彈簧的工作載荷、材質(zhì)、旋繞比以及在工作載荷作用下產(chǎn)生的變形量都相同的情況下，通過設(shè)計(jì)比較發(fā)現(xiàn)，圓形截面彈簧墊圈比矩形截面的外徑增加5%，自由長度增加27%.因此，彈簧壓緊濕式轉(zhuǎn)向離合器選用矩形截面彈簧墊圈[1]。

（2）彈簧的特征與要求

本設(shè)計(jì)中的矩形截面彈簧墊圈具有自由高度比較小，適合于小行程，其負(fù)荷特性近似于線性的特征。此外還應(yīng)滿足：①彈簧線材為矩形截面；②彈簧圈數(shù)為1圈；③撓曲相對(duì)于自由高度足夠??；④接縫相對(duì)于直徑足夠小；⑤螺旋角足夠小；⑥作用于負(fù)荷點(diǎn)的摩擦力可以忽略[2]。

矩形截面彈簧墊圈的工作圖如圖2所示。

圖2　矩形截面彈簧墊圈

（3）基本計(jì)算公式

本文中計(jì)算所使用的符號(hào)意義如表1所示。

表1　符號(hào)意義

1）負(fù)荷和撓曲

先求出第1負(fù)荷P1.如圖3所示，彈簧的一端固定，另一端受到彎梁外負(fù)荷P1作用時(shí)，角度φ的點(diǎn)的彎曲力矩及扭曲力矩如下[3]：

圖3　彈簧墊圈的固定

彎梁的應(yīng)變能量加上剩下的一半后，得到下面的公式：

將公式（1）和（2）代入公式（3），整理可得：

撓曲δ的計(jì)算公式如下：

式中，實(shí)際的彈簧考慮中心軸的傾角θ，得到下面的公式：

接下來考慮P2.在圖2中，力矩的平衡公式如下：

彈簧負(fù)荷P根據(jù)公式（5），（6）可知：

式中，

其中，k1為根據(jù)截面形狀a/b確定的定數(shù)，見下表2.

公式（7）的第1項(xiàng)表示第1負(fù)荷，第2項(xiàng)表示第2負(fù)荷，如果按照前述轉(zhuǎn)向離合器中矩形截面彈簧墊圈要求設(shè)計(jì)，則P2≤0.3P1，即使忽略第2項(xiàng)，也能夠充分近似。

2）內(nèi)部應(yīng)力和撓曲

在Φ=180°的點(diǎn)發(fā)生最大應(yīng)力，通過下面的公式計(jì)算應(yīng)力值[4]。

其中，k2為根據(jù)截面形狀a/b確定的定數(shù)，見下表2.

表2　定數(shù)k1、k2取值情況

（4）彈簧墊圈使用要求

某工程機(jī)械變速箱中矩形截面彈簧墊圈具體使用要求如下：

考慮離合器切割量，彈簧裝配空間、彈簧導(dǎo)向方法（原則上應(yīng)通過扭矩銷導(dǎo)向），規(guī)定滿足以下條件的形狀和尺寸。

1）彈簧負(fù)荷

為確保離合器切割量，改善離合器系合，彈簧負(fù)荷應(yīng)按照以下要求確定：

離合器分離時(shí)，P=10～20 kg；

離合器結(jié)合時(shí)，P=50～80 kg；

離合器最大磨損點(diǎn)結(jié)合時(shí)，P=80～120 kg.

其中，P值表示每個(gè)彈簧的負(fù)荷。

2）彈簧使用應(yīng)力

彈簧材料選用高級(jí)彈簧鋼線（SWPA）或與之相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品；彈簧壽命應(yīng)達(dá)到重復(fù)100萬次以上；彈簧表面粗糙度在6.3以下；離合器最大磨損應(yīng)力滿足Q/STB15.036（圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)）的允許值。

另外，彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力同時(shí)作用于該彈簧，公式（9）的應(yīng)力小，可以用公式（8）表示的最大扭曲應(yīng)力來考慮。

3）彈簧自由高度的選擇方法

應(yīng)選擇Hf/2r≤0.3（α≤6）.如果過大則變?yōu)棣龋?0°，彈簧邊緣與對(duì)方產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)。

4）矩形截面a/b比矩形截面的長短邊之比原則上應(yīng)選擇a/b≤2.5.超出這一范圍時(shí)，卷線時(shí)的應(yīng)變?cè)龃?，因此?yīng)事先與廠商協(xié)商。

5）彈簧邊緣的形狀

彈簧邊緣不可避免地要與對(duì)方面發(fā)生滑動(dòng)，因此為避免給對(duì)方造成損傷，應(yīng)帶有R0.5以上的圓角。

2　結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了矩形截面彈簧墊圈在某工程機(jī)械變速箱中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)，了解其負(fù)荷、應(yīng)力及撓曲的計(jì)算方法，并介紹在某工程機(jī)械變速箱中選擇矩形截面彈簧墊圈時(shí)，應(yīng)結(jié)合彈簧負(fù)荷、使用應(yīng)力、邊緣形狀等因素具體考慮。

[1]李家梅，傅庭森，賴韶飛.矩形截面螺旋壓縮彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦冶，1996，5（3）：22-25.

[2]唐進(jìn)元.彈簧墊圈功能分析[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，12（2）：7-11.

[3]李蕾.整枝機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中矩形截面彈簧的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2008.

[4]蔡瀟.裝載機(jī)變速箱仿真設(shè)計(jì)[D].西安：長安大學(xué)，2007.

Design and Analysis of the Spring Cushion Ring With Rectangular Section in the Transmission for Construction Machinery

ZHU Yun-kai
（Jiangsu City Vocational College（Nantong），Nantong Jiangsu 226006，China）

In this paper，a rectangular section spring cushion ring is used in the transmission for construction machinery，its load，stress and deflection is calculated and analysed.So that，load and internal stress of spring cushion ring is known in the operation process of construction machinery.The specific application requirements of the rectangular section spring cushion ring in a certain engineering mechanical transmission are introduced in this paper.

rectangular section；spring cushion ring；load

TH135.1

A

1672-545X（2016）10-0040-03

2016-07-29

朱云開（1980-），男，江蘇靖江人，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。