不同幾何參數(shù)膜盤聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力及剛度測(cè)試試驗(yàn)研究

摘" 要：膜盤作為膜盤聯(lián)軸節(jié)的主要彈性元件，通常由極薄的盤面組成，在工作中處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。針對(duì)某型傳動(dòng)系統(tǒng)膜盤聯(lián)軸節(jié)在不同載荷工況下的應(yīng)用需求，開展不同幾何參數(shù)膜盤聯(lián)軸節(jié)的應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)比不同幾何參數(shù)膜盤聯(lián)軸節(jié)的剛度值。膜盤表面應(yīng)力變化趨勢(shì)分析表明，扭矩對(duì)膜盤表面應(yīng)力影響最大，且膜盤容易發(fā)生屈曲變形，選擇合適的扭矩加載方式對(duì)試驗(yàn)測(cè)量至關(guān)重要。雙曲線型面膜盤扭轉(zhuǎn)剛度最大，抗扭轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，不易發(fā)生失穩(wěn)變形，更適合用于傳動(dòng)系統(tǒng)柔性連接裝置。

關(guān)鍵詞：不同參數(shù);膜盤聯(lián)軸節(jié);應(yīng)力;剛度;扭矩

中圖分類號(hào)：V232.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0080-04

Abstract： Diaphragm， as the main elastic element of diaphragm coupling， is usually composed of extremely thin disk surface and always in complex stress state during operation. According to the application requirements of diaphragm coupling in a certain transmission system under different load conditions， the stress test of the diaphragm coupling with different geometric parameters was carried out， and the stiffness values of the diaphragm coupling with different geometric parameters were compared. The results show that the torque has the greatest influence on the surface stress of the membrane disk， and the membrane disk is phone to buckling deformation. It is very important to choose the appropriate torque loading method for the test results. The hyperbolic face plate coupling has the strongest torsion stiffness， strong resistance to rotation and instable deformation， so it is more suitable for flexible connecting device of transmission system.

Keywords： different parameters; diaphragm coupling; stress; stiffness; torque

聯(lián)軸節(jié)是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中主要柔性連接裝置[1-2]，其功能是用于傳遞轉(zhuǎn)速、扭矩、補(bǔ)償聯(lián)接角向、徑向偏差和軸向不對(duì)中。在實(shí)際飛行中，聯(lián)軸節(jié)因機(jī)身受載變形和聯(lián)接部件之間安裝同軸度誤差等因素影響，承載復(fù)雜，對(duì)其開展應(yīng)力及剛度試驗(yàn)研究十分必要。

聯(lián)軸節(jié)主要包括疊片聯(lián)軸節(jié)、膜盤片聯(lián)軸節(jié)和膜盤聯(lián)軸節(jié)，膜盤聯(lián)軸節(jié)為整體精密鑄造而成的實(shí)體盤形結(jié)構(gòu)，常與法蘭盤焊接成一體，通過法蘭盤螺栓與傳動(dòng)軸聯(lián)接。膜盤聯(lián)軸節(jié)組件主要包括1個(gè)膜盤、2個(gè)聯(lián)接法蘭，其承受的載荷主要有扭轉(zhuǎn)載荷、軸向拉伸和角向偏移，膜盤聯(lián)軸節(jié)盤面薄，工作時(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。

本文針對(duì)3種型面（等厚型面、梯形型面、雙曲線型面）膜盤聯(lián)軸節(jié)組件進(jìn)行試驗(yàn)研究，等厚型面、梯形型面、雙曲線型面的型面厚度分別為0.5、0.4、0.4 mm，型面比分別為0.5、0.4、0.4，其中型面比為最厚處直徑與最薄處直徑的比值，材料均為TC4。對(duì)不同參數(shù)膜盤聯(lián)軸節(jié)在不同載荷工況下的應(yīng)力及剛度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)。根據(jù)2輪試驗(yàn)的結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了膜盤應(yīng)力及剛度測(cè)試試驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，獲取了3種型面膜盤的剛度及應(yīng)力變化趨勢(shì)，為后續(xù)的膜盤設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均表明，最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度最大，最小起皺扭矩大，穩(wěn)定性好，更適合在傳動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

1" 試驗(yàn)方案

某型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)膜盤聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力及剛度測(cè)試試驗(yàn)加載方案如圖1所示。固定膜盤聯(lián)軸節(jié)一端法蘭，通過加載盤對(duì)膜盤聯(lián)軸節(jié)施加扭矩、軸向偏移和角向偏移，用力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器進(jìn)行載荷控制。F1、F2為一對(duì)大小相等、方向相反的力偶，用來(lái)施加扭矩，F(xiàn)3施加軸向載荷，F(xiàn)4施加彎曲載荷。試驗(yàn)按照表1中載荷進(jìn)行施加，共包括以下幾個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目：扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試、軸向剛度測(cè)試、彎曲剛度測(cè)試、扭轉(zhuǎn)載荷+軸向載荷組合變形試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)載荷+角向偏移載荷組合變形試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)載荷+軸向載荷+角向偏移載荷組合變形試驗(yàn)。

2" 試驗(yàn)過程及問題處理

試驗(yàn)共分為2輪，第一輪試驗(yàn)為摸底試驗(yàn)，采用鋼制結(jié)構(gòu)膜盤進(jìn)行測(cè)試，因載荷小，加載簡(jiǎn)單，故采用手動(dòng)加載所有試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)步驟如下。

2.1" 應(yīng)變計(jì)粘貼

膜盤表面應(yīng)力復(fù)雜，各界面的應(yīng)力水平均有差異，要想得到膜盤全部型面的應(yīng)變，需要粘貼的應(yīng)變計(jì)數(shù)量較多，考慮膜盤本身尺寸小，應(yīng)變計(jì)粘貼困難，選擇圖2所示A1～A8共8處位置粘貼0°、45°、90°的應(yīng)變花，可以獲得該位置的應(yīng)力值，3種型面膜盤的貼片位置貼片方式均一致，膜盤兩面應(yīng)變計(jì)粘貼成鏡像對(duì)稱。

2.2" 不同載荷應(yīng)力及剛度測(cè)試

按照?qǐng)D3所示方式進(jìn)行安裝測(cè)量，9個(gè)位移傳感器測(cè)量得到的位移數(shù)據(jù)經(jīng)過換算可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值、偏角值等。

圖3中用扭矩傳感器測(cè)量扭矩載荷，引伸測(cè)量桿與試驗(yàn)件加載端法蘭邊處聯(lián)接，用于測(cè)量試驗(yàn)件扭轉(zhuǎn)角度，通過計(jì)算得到試驗(yàn)件兩端相對(duì)轉(zhuǎn)角的變化量Δφ。

Δφ=arctan（），

式中：Δφ為引伸測(cè)量桿測(cè)量端面（加載盤處）轉(zhuǎn)角;D1、D2分別為位移傳感器1、位移傳感器2對(duì)應(yīng)的測(cè)量位移;L1為引伸測(cè)量桿上2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離。

其中，F(xiàn)1、F2施加膜盤聯(lián)軸器扭矩，加載力臂為150 mm;F3施加膜盤聯(lián)軸器軸向偏移，通過位移傳感器3控制D3來(lái)實(shí)現(xiàn); F4施加膜盤聯(lián)軸器的角向偏移，加載位置與膜盤中心的水平距離H=164.5 mm，根據(jù)F4方向的位移與膜盤的角向偏移的關(guān)系

φ=arctan（D4/H），

式中：D4為載荷F4方向的位移。

通過控制F4的位移，可實(shí)現(xiàn)膜盤的角向偏移。

位移傳感器5、位移傳感器6測(cè)量點(diǎn)選擇在膜盤表面靠近邊緣處，且對(duì)稱分布，起到測(cè)量膜盤角向偏轉(zhuǎn)角度的作用。

θ=arctan（），

式中：θ為膜盤型面偏轉(zhuǎn)角度;D5、D6分別為位移傳感器5、位移傳感器6對(duì)應(yīng)的測(cè)量位移;L56為位移傳感器5、6對(duì)應(yīng)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離。

2.3" 試驗(yàn)結(jié)果及問題處理

第一輪試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量得到的應(yīng)變曲線，變化散亂無(wú)線性，重復(fù)性差。原因分析：扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試試驗(yàn)過程中，采用手動(dòng)加載，由于兩邊加載無(wú)法保證同步性，產(chǎn)生的位移不一致，使膜盤產(chǎn)生翹曲變形，膜盤表面應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)生突變。

查明原因后對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，在扭矩加載桿（F1、F2）兩端設(shè)置2組位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加載時(shí)保證兩端位移變化一致。試驗(yàn)得到的應(yīng)變結(jié)果重復(fù)性及線性度較好，由此可知，控制扭矩加載力的對(duì)稱性，能有效避免膜盤在加載時(shí)產(chǎn)生的翹曲變形?？紤]在第二輪試驗(yàn)中扭矩采用油缸加載，進(jìn)一步同步控制F1、F2的位移，避免膜盤產(chǎn)生翹曲。

3" 改進(jìn)試驗(yàn)后及不同型面膜盤對(duì)比

針對(duì)第一輪試驗(yàn)遇到的問題，對(duì)第二輪試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)選取3種型面的膜盤進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)膜盤剛度、應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得到哪種膜盤更適合在傳動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

3.1" 應(yīng)變計(jì)粘貼改進(jìn)

第一輪試驗(yàn)中應(yīng)變片粘貼在軸線位置上，難以反映復(fù)雜工況下膜盤表面的應(yīng)力分布，本輪試驗(yàn)對(duì)應(yīng)變計(jì)粘貼位置進(jìn)行了調(diào)整，以獲取更多的應(yīng)變數(shù)據(jù)。調(diào)整后的位置如圖4所示，膜盤兩面應(yīng)變計(jì)粘貼成中心對(duì)稱。

3.2" 加載方法及測(cè)量法方法改進(jìn)

本輪試驗(yàn)采用直線油缸對(duì)各載荷進(jìn)行加載，保證載荷F1、F2能夠同時(shí)施加，使扭矩載荷正確實(shí)施，避免膜盤出現(xiàn)嚴(yán)重的翹曲變形。將位移傳感器安裝在引申測(cè)量桿1、2的上表面和側(cè)表面上，共8個(gè)，可以有效測(cè)量出膜盤各個(gè)方向的變形位移。

3.3" 不同型面膜盤應(yīng)力及剛度對(duì)比

針對(duì)3種膜盤聯(lián)軸節(jié)分別在扭轉(zhuǎn)、軸向、彎曲剛度下的應(yīng)力分布，可以得到：等厚型面膜盤聯(lián)軸節(jié)和梯形型面膜盤聯(lián)軸節(jié)膜盤型面應(yīng)變分布趨勢(shì)一致，其中扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度應(yīng)變數(shù)據(jù)變化呈對(duì)稱線性關(guān)系，軸向剛度試驗(yàn)時(shí)，靠近膜盤中心處的應(yīng)變最大?？拷吘壧帒?yīng)變次之，膜盤中心與邊緣之間位置應(yīng)變最小。雙曲線型面膜盤聯(lián)軸節(jié)在扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變數(shù)值遠(yuǎn)小于其他2種型面膜盤，在軸向剛度試驗(yàn)測(cè)試中，靠近膜盤中心處應(yīng)變最大，且隨著與中心距離的增大，應(yīng)變逐漸變小。

考慮到扭矩沖擊等因素，膜盤的扭轉(zhuǎn)剛度越小，則膜盤緩沖吸振的能力越好，但是膜盤的扭轉(zhuǎn)剛度值若太小，則在工作扭矩作用下膜盤表面可能會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，如圖5所示。

表2中仿真數(shù)據(jù)顯示，在最薄處厚度（0.9 mm）和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤扭轉(zhuǎn)剛度是梯形型面膜盤的1.38倍，最小起皺扭矩為梯形型面膜盤的3.5倍，應(yīng)力水平只有梯形型面膜盤的一半，穩(wěn)定性最好。本次試驗(yàn)中在最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤扭轉(zhuǎn)剛度是梯形型面膜盤的1.39倍，與計(jì)算結(jié)果一致。本次試驗(yàn)選取的扭矩載荷為1 200 Nm，小于仿真分析得到的膜盤的最小起皺扭矩，符合試驗(yàn)加載要求。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，與膜盤聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接的動(dòng)力渦輪軸及減速器部件傳動(dòng)鏈中的彈性軸等零件具有較小的扭轉(zhuǎn)剛度，有很好的緩沖吸振能力，因此膜盤扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)先考慮防止其盤面起皺失穩(wěn)。

3.4" 綜合載荷工況下的應(yīng)力變化趨勢(shì)

在組合變形試驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖6所示。3種膜盤應(yīng)變變化趨勢(shì)接近，膜盤表面應(yīng)力分布復(fù)雜。從圖6中可知扭矩載荷對(duì)膜盤表面應(yīng)變影響最大，其次為角向偏移載荷，軸向載荷對(duì)膜盤應(yīng)變影響最小。

4" 結(jié)論

針對(duì)不同幾何參數(shù)膜盤聯(lián)軸節(jié)在不同載荷工況下的測(cè)試試驗(yàn)，得到了3種型面膜盤的剛度和應(yīng)變分布規(guī)律，其中在結(jié)構(gòu)尺寸相同，最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度最大，最小起皺扭矩大，穩(wěn)定性好，更適合在傳動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。在綜合工況下，膜盤表面應(yīng)力分布復(fù)雜，傳統(tǒng)的粘貼應(yīng)變片測(cè)量方式難以適用，后續(xù)試驗(yàn)研究可選用應(yīng)變光測(cè)技術(shù)如光彈性試驗(yàn)、激光全息攝影法、電子散斑干涉法等，提高應(yīng)變測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張凌楓.膜片式彈性聯(lián)軸節(jié)在機(jī)械傳動(dòng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1994（3）：42-43，20.