碟形彈簧低溫特性曲線測試與研究

為滿足低溫風洞設計與選型需要，研究了溫度為 110 K 條件下碟形彈簧的特性曲線。 通過分析，確定了試驗方案；以電子萬能試驗機為基礎，設計構建了具有保溫功能的低溫測控試驗 平臺；測量獲得了幾種碟形彈簧在常溫與低溫條件下的特性曲線。 試驗結果表明，加載時碟形彈簧 的低溫負荷較常溫負荷更大，卸載時碟形彈簧的低溫負荷先高于后低于其常溫負荷。 為碟形彈簧 在低溫風洞及其它低溫環(huán)境中的應用提供了依據(jù)

  碟形彈簧是在 100 多年前由法國的 Belleville 發(fā)明，具有軸向尺寸緊湊、變剛度的、可組合使用、單位體積材料變形能大以及便于標準化等特點，在結構的預緊、汽車、建筑的減隔震 等諸多領域有著廣泛的應用。

碟形彈簧受壓時，隨著變形量的變化，其負荷也將發(fā)生相應的變化，這種力與位移量的關系圖就是碟形彈簧的特性曲線。 特性曲線是碟形彈簧設計選型的基礎，主要通過實測或者計算的方式獲得，例如，Almen 與 Laszlo 給出了碟形彈簧載荷與變形關系的近似解 ，易先忠將碟形彈簧簡化為具有初始曲率、大撓度薄板彎曲模型，得到了新的特性曲線解析解 ，高佳玉運用有限元方法對碟形彈簧的特性曲線進行了數(shù)值模擬 ，邢佶慧通過試驗測量獲得了單片／ 多片碟形彈簧的特性曲線。

低溫風洞可實現(xiàn)提高風洞雷諾數(shù)模擬的目的，其運行溫度范圍在 110～323 K 之間。 為解決寬溫域溫度條件下的連接件松動或應力集中問題，低溫風洞中采用了大量以碟形彈簧為補償元件的解耦結構 。 然而，碟形彈簧特性曲線在低溫環(huán)境中的變化情況還不明確，這給低溫條件下碟形彈簧的設計選型、分析計算等工作帶來了困難。 針對這一問題，本文構建了低溫測試平臺，以低溫風洞擬選用的幾種碟形彈簧為對象，研究了它們在 110 K 溫度條件下的特性曲線。

1  試驗方案

根據(jù)試驗內(nèi)容的不同，低溫性能試驗的方案也不盡相同，例如，對于材料的低溫沖擊試驗，其方案要求試樣從低溫裝置中移出至打斷時間應不大于 5s ；而對于材料的低溫拉伸試驗，試驗需在具有保溫功能的冷卻裝置中進行 。

為確定合適的試驗方案，有必要對碟形彈簧在降溫（由室溫降至 110 K）以及回溫（由 110 K 升至室溫）過程中的溫度變化情況進行研究。 因此，以型號為?80 mm×?41 mm×3 mm×4.9 mm（外徑×內(nèi)徑×厚度×高度）的碟形彈簧為對象，根據(jù)問題的對稱性， 建立 1／ 4 有限元模型， 其材料為0Cr17Ni7Al，所得分析結果如圖 1 所示。

圖 1 碟形彈簧在液氮及空氣中的溫度變化情況

由圖 1 可見，在降溫過程中，冷卻至 110 K 時大概需要 600 s；在回溫過程中，溫度由 110 K 升至常溫約需要 3 600 s，并且溫度越低其回溫速率越大，例如溫度由 110 K 升至 160 K 僅需 300 s。 根據(jù)低溫風洞的實際工況，碟形彈簧的變形是一個緩慢的過程，這決定了整個測試過程需較長時間。 因此，為確保試驗的精度，在本試驗過程中，碟形彈簧在液氮中冷卻時間應不小于 600 s，且試驗需在具有保溫功能的冷卻裝置中進行。

2  試驗平臺搭建

試驗平臺構成方案如圖 2 所示，系統(tǒng)主要由電子萬能試驗機、保溫及壓頭系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及液氮供給系統(tǒng)構成。 其中，電子萬能試驗機主要實現(xiàn)對碟形彈簧位移-力關系的測量；保溫及壓頭系統(tǒng)用于建立并保持低溫測試環(huán)境；測控系統(tǒng)主要是對液氮供應量以及對測量速度等參數(shù)進行控制，并完成對所采集數(shù)據(jù)的存儲、分析與處理。

圖 2 碟形彈簧性能測試平臺

保溫及壓頭系統(tǒng)如圖 3 所示，該系統(tǒng)主要由上壓頭、下壓頭、保溫隔熱層以及溫度傳感器等組成。其中，上、下壓頭與電子萬能試驗機相連，其外部包裹有保溫隔熱層；系統(tǒng)中共設有 3 個溫度傳感器，其中兩個分別位于上、下壓頭與電子萬能試驗機的連接部分，用于監(jiān)測系統(tǒng)與電子萬能試驗機連接部分的溫度，防止因過冷而可能導致的電子萬能試驗機的損壞，另外一個安裝在上壓頭中，用于監(jiān)測降溫及試驗過程中系統(tǒng)內(nèi)部的溫度變化情況。

圖 3 保溫及壓頭系統(tǒng)

3  試驗及試驗結果分析

3.1 試驗的實施

試驗所用的 3 種碟形彈簧的材料均為 0Cr17Ni7Al，其具體尺寸見表 1。

表 1  0Cr17Ni7Al 測試用碟形彈簧尺寸 

 注：D 為外徑；d 為內(nèi)徑；t 為厚度；h0 為壓平時變形量計算值。

試驗前，對電子萬能試驗機進行標定，確保試驗設備的精度；對同一類型的碟形彈簧進行編號，保證低溫與常溫測試時所選用碟形彈簧的一致性。 試驗時，根據(jù)低溫風洞中碟形彈簧的實際工況。

圖 4 碟形彈簧低溫特性曲線測試試驗

常溫與低溫試驗的壓縮速度均設為 0.5 mm／min；為確保被測碟形彈簧冷透至 110 K，低溫試驗冷卻時間設為 20 min；此外，由于低溫條件下的潤滑存在困難，為便于比較，常溫與低溫試驗均在未潤滑的條件下進行，特性曲線測試試驗如圖 4 所示。

3.2 試驗結果及分析

在常溫及低溫環(huán)境中，3 種（見表 1）不同碟形彈簧壓縮量與負載的變化關系如圖 5 所示（圖中數(shù)據(jù)均為同類 3 個編號碟形彈簧試驗結果的平均值）。

圖 5 碟形彈簧常溫與低溫特性曲線圖

如圖 5 所示，常溫條件下 3 種碟形彈簧在壓縮量為 0.75h0 時對應負荷的實測值分別為 1 733.1 N、2947.6 和 5 507.2 N（圖 5 中虛線），理論值分別為2046.3 N、2 780.2 N 以及 5 940.3 N（見表 2），實測

值與理論值的最大偏差約為－15.3％，略高于文獻 的要求。 除了理論計算與碟形彈簧尺寸存在偏差等因素外，本文在測試時未加潤滑，也可能是試驗結果存在較大偏差的原因。 因此，考慮到這些因素的影響，本文的測試結果處于合理范圍之內(nèi)。

表 2 碟形彈簧載荷的理論值與實測值（壓縮量 0.75h0 ）

如圖 5 所示，在加載過程中，相同壓縮量條件下低溫環(huán)境中的碟形彈簧負荷（圖 5 中紅線）始終高于常溫下（圖 5 中藍線）的負荷；在卸載過程中，相同壓縮量的條件下低溫環(huán)境中的碟形彈簧負荷先高于常溫下的負荷，而后隨著壓縮量的逐漸減小，碟形彈簧低溫負荷會低于常溫負荷。

由碟形彈簧的相關理論可知 ，碟形彈簧的負荷與其材料彈性模量成正比；在考慮摩擦的情況下，加載過程中碟形彈簧的負載會增大，卸載過程中碟形彈簧的負載會變小。 同時，對于大多數(shù)金屬材料而言，材料的彈性模型和摩擦因數(shù)均會隨著溫度降低而增大，即材料在低溫環(huán)境中的彈性模量以及摩擦因數(shù)均會比其在常溫中大。

在加載過程中，彈性模量以及摩擦因數(shù)的增大均會使低溫碟形彈簧負荷較常溫負荷更大，這也是圖 5 中加載時碟形彈簧低溫負荷較常溫大的主要原因；在卸載過程中，與常溫相比，彈性模型的增大會使碟形彈簧負荷增大，而摩擦因數(shù)的增大會使碟形彈簧的負荷減小，剛開始卸載時，由于壓縮量較大，材料彈性模量引起的碟形彈簧負荷的增大起主要作用，碟形彈簧的低溫負荷仍大于常溫條件下的負荷；然而，隨著卸載過程的進行，壓縮量逐漸減小，材料間摩擦因數(shù)引起的碟形彈簧負荷的減小將其主要作用，從而導致碟形彈簧的低溫負荷低于常溫負荷，這與圖5 中卸載時碟形彈簧低溫負荷先大于后小于其常溫負荷的情況是相一致的。

4 結論從低溫風洞設計的實際需求出發(fā)，對碟形彈簧在在 110 K 溫度條件下的特性曲線進行了測試研究。 從方案的選擇、平臺的搭建、試驗的實施及試驗結果 的分析幾個方面開展了相關工作，最終獲得了碟形 彈簧在低溫條件下的特性曲線。 試驗結果表明，與 常溫環(huán)境下的負荷相比，加載時碟形彈簧的低溫負 荷增大，卸載時隨著壓縮量的減小負荷先增大后減 小。 所得試驗數(shù)據(jù)處于合理范圍之內(nèi)，為低溫風洞 中碟形彈簧的設計和選型提供了依據(jù)。