碟形彈簧低溫特性曲線測試與研究

為滿足低溫風(fēng)洞設(shè)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(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計構(gòu)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(jié)果表明，加載時碟形彈簧 的低溫負(fù)荷較常溫負(fù)荷更大，卸載時碟形彈簧的低溫負(fù)荷先高于后低于其常溫負(fù)荷。 為碟形彈簧 在低溫風(fēng)洞及其它低溫環(huán)境中的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化等特點，在結(jié)構(gòu)的預(yù)緊、汽車、建筑的減隔震 等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

碟形彈簧受壓時，隨著變形量的變化，其負(fù)荷也將發(fā)生相應(yīng)的變化，這種力與位移量的關(guān)系圖就是碟形彈簧的特性曲線。 特性曲線是碟形彈簧設(shè)計選型的基礎(chǔ)，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(guān)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(jìn)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(fēng)洞可實現(xiàn)提高風(fēng)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(yīng)力集中問題，低溫風(fēng)洞中采用了大量以碟形彈簧為補(bǔ)償元件的解耦結(jié)構(gòu) 。 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(shè)計選型、分析計算等工作帶來了困難。 針對這一問題，本文構(gòu)建了低溫測試平臺，以低溫風(fēng)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(fēng)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(yīng)不小于 600 s，且試驗需在具有保溫功能的冷卻裝置中進(jìn)行。

2  試驗平臺搭建

試驗平臺構(gòu)成方案如圖 2 所示，系統(tǒng)主要由電子萬能試驗機(jī)、保溫及壓頭系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及液氮供給系統(tǒng)構(gòu)成。 其中，電子萬能試驗機(jī)主要實現(xiàn)對碟形彈簧位移-力關(guān)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(yīng)量以及對測量速度等參數(shù)進(jìn)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(jī)相連，其外部包裹有保溫隔熱層；系統(tǒng)中共設(shè)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(jī)的連接部分，用于監(jiān)測系統(tǒng)與電子萬能試驗機(jī)連接部分的溫度，防止因過冷而可能導(dǎo)致的電子萬能試驗機(jī)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(jié)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(jī)進(jìn)行標(biāo)定，確保試驗設(shè)備的精度；對同一類型的碟形彈簧進(jìn)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(fēng)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(shè)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(shè)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(jìn)行，特性曲線測試試驗如圖 4 所示。

3.2 試驗結(jié)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(fù)載的變化關(guān)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(jié)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(yīng)負(fù)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(xiàn) 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(jié)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(jié)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(fù)荷（圖 5 中紅線）始終高于常溫下（圖 5 中藍(lán)線）的負(fù)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(fù)荷先高于常溫下的負(fù)荷，而后隨著壓縮量的逐漸減小，碟形彈簧低溫負(fù)荷會低于常溫負(fù)荷。

由碟形彈簧的相關(guān)理論可知 ，碟形彈簧的負(fù)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(fù)載會增大，卸載過程中碟形彈簧的負(fù)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(fù)荷較常溫負(fù)荷更大，這也是圖 5 中加載時碟形彈簧低溫負(fù)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(fù)荷增大，而摩擦因數(shù)的增大會使碟形彈簧的負(fù)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(fù)荷的增大起主要作用，碟形彈簧的低溫負(fù)荷仍大于常溫條件下的負(fù)荷；然而，隨著卸載過程的進(jìn)行，壓縮量逐漸減小，材料間摩擦因數(shù)引起的碟形彈簧負(fù)荷的減小將其主要作用，從而導(dǎo)致碟形彈簧的低溫負(fù)荷低于常溫負(fù)荷，這與圖5 中卸載時碟形彈簧低溫負(fù)荷先大于后小于其常溫負(fù)荷的情況是相一致的。

4 結(jié)論從低溫風(fēng)洞設(shè)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(jìn)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(jié)果 的分析幾個方面開展了相關(guān)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(jié)果表明，與 常溫環(huán)境下的負(fù)荷相比，加載時碟形彈簧的低溫負(fù) 荷增大，卸載時隨著壓縮量的減小負(fù)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(fēng)洞 中碟形彈簧的設(shè)計和選型提供了依據(jù)。