张紧轮圆柱扭转弹簧扭矩计算方法

0 引言
汽车自动张紧轮是发动机正时机构和前端附件
[ ] 1
曲变形 , 忽略弹簧丝的扭转 ㊁ 剪切和拉伸变形的影
带传动系统的张紧装置 , 其张紧力㊁ 张紧刚度和阻 尼等力学特性对发动机的正时精度㊁ 轴系的运动平 稳性和皮带寿命等有重要影响㊂这些力学特性主要 由自动张紧轮中的扭转弹簧决定㊂如何精确设计扭 转弹簧是自动张紧轮设计中的一个关键问题㊂ 算公式 , 进行扭转弹簧的强度和刚度设计 长期以来 , 工程上主要采用一组简化设计计
[ ] P 1 0 i s a n oA A, F u s c h iP. C l o s e dF o r mS o l u t i o n f o r a ( ) : 版, 2 0 1 0, 3 2 2 6 5 ‐ 7 1.
组 设计公式基于以下假设 : ①只考虑弹簧丝的弯
收稿日期 : 2 0 0 9 1 0 0 9
AR e v i s e dS o l u t i o nf o rM o m e n t -d e f l e c t i o nR e l a t i o no fT o r s i o nS r i n p g L iB a o f u L i uP i n f a n a n u n w e i g g F gJ , , S h a n h a iU n i v e r s i t S h a n h a i 2 0 0 0 7 2 g y g : A b s t r a c t T h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nah e l i c a lt o r s i o ns r i n n di t sa c c e s s o r i e s( s r i n e a t sa n d p ga p gs )w s i n d l e a s i n v e s t i a t e dw i t h f i n i t e e l e m e n t c o n t a c t a n a l s i s . T h e r e s u l t o f s i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h e p g y t w i s td e f o r m a t i o no f t h e s r i n a nb ed i v i d e da r o x i m a t e l i n t os e v e r a l s t a e sb t h ev a r i e t f c o n p gc p p y g y yo , t a c t r e i o n sb e t w e e nt h es r i n a r t s . A c c o r d i n l ap i e c e w i s e l i n e a r r e l a t i o no fm o m e n t -d e f l e c t i o n g p gp g y w a se s t a b l i s h e db a s e do ne l e m e n t a r h e o r fb e a m. I th a sb e e np r o v e dt h a tt h ee u a t i o n sp r e s e n t yt yo q h e r e i na r em o r ep r e c i s e t h a nt h ec l a s s i c a l a l o r i t h m sw h i c ht a k en oa c c o u n to f t h ee f f e c to f s r i n c g p ga c e s s o r i e s . : ; ; ; K e o r d s h e l i c a l t o r s i o ns r i n a u t o t e n s i o np u l l e f i n i t ee l e m e n t c o n t a c t a n a l s i s t w i s td e p g y y yw f o r m a t i o n
图 1 汽车自动张紧轮
件之间的作用关系比较复杂 ㊂ 下面用有限元接触 分析模拟扭转弹 簧 的 变 形 过 程 , 研究扭转弹簧的 1. 1 有限元分析模型 应用有限 元 分 析 软 件 A N S Y S模拟扭转弹簧 的变形过程 ㊂ 鉴于分析的目的是揭示弹簧的变形 规律 , 为了提高分析效率 , 可以建立较为简化的分 / 析模型 ㊂ 于是 , 我们 假 设 : ①弹簧的首末1 2圈为 平圈 , 忽略工作臂 , 其余各圈均等节距 ; ② 芯轴为圆 柱体刚体 ; ③ 上下两个端面的弹簧座为刚性平面 ㊂ 芯轴 ㊁ 弹簧的首末 圈 分 别 和 上 下 端 面 弹 簧 之 间 的 接触关 系 均 用 C ONT A 1 7 5和 T A R G E 1 7 0接触 单元模拟 ㊂ 进行 : 扭转弹 簧 变 形 过 程 的 模 拟 分 两 个 加 载 步 骤 ( ) 上 弹 簧 座 向 下 平 移, 压缩弹簧到工作 1 高度 ; 弹簧用 3 D 梁单元 B E AM 4 离 散㊂ 弹 簧 丝 和 变形规律 ㊂
[ ] 田红亮 , 朱大林 , 秦 红 玲. 两弹性接触粗糙低速滑动 9
㊃2 3 1 8㊃
] 表面温升的分形 模 型 [ 三 峡 大 学 学 报: 自然科学 J .
圆柱扭转弹簧扭矩计算方法的改进
李宝福
刘平芳
樊俊伟
程设计要求 ㊂
柱螺旋扭转弹簧 组 件 的 变 形 规 律 , 提出更为精确 的扭矩计算方法 ㊂
㊂这
[ ] H , , 6 u a n u m e i F uW e i i n T o n u n x i a n . AM e t h o d gY p g gJ
o fA c u i r i n l i e dT a n e n t i a lD a m i n a r a m e t e r s q gA p p g p gP , ( ) : T e c h n o l o 1 9 9 6 1 2 1 1 ‐ 5 . g y,
, : J o u r n a l o fS o l i d sa n dS t r u c t u r e s 2 0 0 3, 4 0( 1) 1 3 ‐ 2 3. ( 编辑
] N o n l o c a lE l a s t i cB a ri nT e n s i o n[ J . I n t e r n a t i o n a l
Fra Baidu bibliotek
] ’ o fJ o i n tS u r f a c e s[ J . J o u r n a lo fX i a nU n i v e r s i t f yo [ ] E ,F 7 t s i o nI r o n tI .A M o d e l f o rS t a t i cS e a l i n e r gP [ ] f o r m a n c eo fE n dF a c eS e a l s J . T r i b o l o r a n s a c g yT , ( ) : t i o n s 1 9 9 4, 3 7 1 1 1 1 ‐ 1 1 9.
簧丝直径 d( mm) 中径 D0( mm) 有效圈数 n 0 参数 数值 2. 3 2. 9 0 4 3 5
1 扭簧组件的有限元分析
转弹簧 5 安装在底 板 1 和 偏 心 轮 3 之 间 , 为皮带 轮 6 提供扭力 , 使皮带轮 6 压紧皮带 , 从而提供张 偏心轮 3 和弹 簧 套 座 4 等 多 个 零 件 的 制 约 , 表 1㊁ 现出的力学行为是相关零件共同作用的结果 ㊂ 这 些相关零件 构 成 了 弹 簧 组 件 ㊂ 为 了 便 于 讨 论 , 我 们将弹簧组 件 简 化 成 由 4 个 零 件 组 成 的 弹 簧 组 其中上下弹簧座 限 制 弹 簧 的 轴 向 变 形 , 芯轴限制 弹簧内径方向的变形 ㊂ 件: 弹簧 ㊁ 上 端 面 弹 簧 座㊁ 下 端 面 弹 簧 座 和 芯 轴㊂ 紧力 ㊂ 在 图 1 中 , 扭转弹簧5的变形受到了底板
中国机械工程第 2 1 卷第 1 9期2 0 1 0年1 0 月上半月
圆柱扭转弹簧扭矩计算方法的改进
李宝福
摘要 : 对圆柱螺旋扭转弹簧组件进行有限元接触分析 , 模拟了 扭 转 弹 簧 在 扭 转 变 形 过 程 中 弹 簧 丝 ㊁
上海大学 , 上海 , 2 0 0 0 7 2
刘平芳
樊俊伟
弹簧座和芯轴之间的相互作用 ㊂ 模拟分析表明 , 随着扭转弹簧和芯轴之间接触区的演变 , 扭转弹簧的扭 转变形存在明显的阶段性 ㊂ 根据模拟结果 , 按弯曲梁理论推导出了扭转 弹 簧 的 分 段 线 性 扭 矩 - 转 角 公 式 ㊂ 提出的圆柱螺旋扭转弹簧扭矩计算方法在自动张紧轮扭转弹簧的设计中取得了满意的效果 ㊂ 与不 考虑芯轴的支撑作用的传统设计方法相比 , 该计算方法具有更高的精度 ㊂ 关键词 : 圆柱扭转弹簧 ; 自动张紧轮 ; 有限元接触分析 ; 扭曲变形 中图分类号 : U 4 6 4. 2 ) 文章编号 : 1 0 0 4 1 3 2 X( 2 0 1 0 1 9 2 3 1 8 0 4
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响; ② 扭 转 变 形 中 弹 簧 始 终 保 持 圆 柱 螺 旋 状 态㊂ 在这个计算模型中 , 弹簧的转角和扭矩是线性的 ㊂ 在此 基 础 上 , 有 人 研 究 了 弹 簧 节 距㊁ 弹 簧 丝 曲 率㊁
] 5 轴线倾斜 [ 等对 弹 簧 强 度 和 刚 度 的 影 响 , 并提出
卢湘帆 )
[ ] P 8 o l c a r o u A A,E t s i o nI .A n a l t i c a lA r o x i m a y p y p p , ( ) : J o u r n a l o fT r i b o l o 1 9 9 9, 1 2 1 2 2 3 4 ‐ 2 3 9. g y
了相应的修正公式 ㊂ 注意到这些设计模型均以弹 簧丝作为独立的研究对象 , 很少考虑弹簧座 ㊁ 芯轴 的支撑作用 ㊂ 然 而 , 在实际应用中扭转弹簧往往 和弹簧座 ㊁ 芯轴等零件配套使用 , 弹簧丝的变形不 可避免地 受 到 它 们 的 影 响 而 表 现 出 明 显 的 非 线 性 ㊂ 因此 , 上述设 计 方 法 可 以 用 于 估 算 扭 转 弹 簧 的刚度和强度 , 但计算精度往往不能满足一些工
本文以汽车自 动 张 紧 轮 为 应 用 对 象 , 探讨圆
( ) 对弹簧末端施加角位移 , 扭转弹簧 ㊂ 2 1. 2 结果及分析 取 表 1 所 示 的 弹 簧 参 数, 弹簧丝材料为 ㊂ 对扭转弹簧首端先后施加两种约束 : 完全 6 5 M n , , 固定和周向位移固定 分别进行有限元分析 结果 如图 2 和图 3 所示 ㊂
] t i o n s i nM o d e l i n o n t a c t i n o u hS u r f a c e s[ J . gC gR g
作者简介 : 秦红玲 , 女, 1 9 7 8 年 生㊂ 三 峡 大 学 机 械 与 科 学 学 院 讲 师, 武汉理工大学可靠性工程研究所博士研究 生 ㊂ 主 要 研 究 方 向 三峡大学机械与材料学 院 讲 师 ㊂ 朱大林 , 男, 1 9 6 0 年 生㊂ 三 峡 大 学机械与材料学院教授 ㊂ 为 摩 擦 学 及 表 面 工 程 ㊂ 发 表 论 文 8 篇 ㊂ 田红亮 , 男, 1 9 7 3 年 生㊂
图 1 是一种汽车自动张紧轮的结构简图 ㊂ 扭
表 1 弹簧参数
自由高度 h mm) 0( 芯轴直径 d mm) 1( 工作高度 h( mm) 参数 数值 9. 1 5 2 8. 5 1 5
图 2 扭矩 - 转角曲线
底板 2. 芯轴 3. 偏心轮 4. 弹簧套座 5. 扭转弹簧 1. 皮带轮 7. 轴套 8. 端面锁片 6.