DANA定轴式变速器用截锥螺旋弹簧刚度仿真分析讲解学习

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。DANA定轴式变速器用截锥螺旋弹簧刚度仿真分析-DANA定轴式变速器用截锥螺旋弹簧刚度仿真分析赵玉奇1丁芳芳2王栋2程建民2（1河南化工职业学院河南郑州450042）（2郑州大学机械工程学院河南郑州450001）【摘要】截锥螺旋弹簧是DANA公司的MHR-3200系列变速器中的一个关键零件，其结构紧凑，稳定性好，工作过程中承受较大载荷使刚度呈非线性1。应用SolidWorksSimulation对截锥螺旋弹簧的刚度进行仿真分析，得到了弹簧在工作载荷作用下的变形规律及具有非线性特征的刚度曲线。在载荷较小时

2、特性曲线是直线；当载荷逐渐增加时则呈非线性，这与标准的截锥螺旋弹簧特性曲线无明显差异，证明了分析结果的正确性，为截锥螺旋弹簧的RE设计打下基础，也为其失效后的重构和修复提供了依据。关键词：截锥螺旋弹簧；非线性；刚度；仿真分析；SolidWorksSimulation中图分类号：TH135文献标识码：AStiffnesssimulationanalysisforconicalspringofDANAaxis-fixedtransmissionLIDa-lei，DINGFang-fang，WANGDong，CHENGJian-min（1HeNanVocationalCollegeofChemica

3、lTechnology,ZhengZhou450042,China）(2SchoolofMechanicalEngineering,ZhengZhouUniversity,ZhengZhou450001,China)AbstractTheconicalspringisonecriticalpartofDANAMHR-32000seriestransmission,itsstructureiscompactandithasgoodstability.Itsupportslargerloadinthecourseofworkwhichmakeitsstiffnessisnonlinear.Usin

4、gSolidWorksSimulationtoconductsimulationanalysisforthestiffnessofconicalspring,acquirethedeformationlawofspringunderserviceloadandthestiffnesscurvewithnonlinearcharacteristics.Thecharacteristiccurveisastraightlinewhentheloadissmallanditisnonlinearwhentheloadincreasesgradually.Thereisnosignificantdif

5、ferencewiththestandardcharacteristiccurveofconicalspring,andthisprovesthevalidityoftheresults,whichwilllayafoundationfortheREdesignofconicalspringandprovidebasisforitsreconfigurationandrepairafterloseefficacy.Keywords:Criticalspring；Nonlinearity；Stiffness；Simulationanalysis；SolidWorksSimulation引言国际上

6、装载机传动系统常采用以克拉克为代表的定轴式变速器。定轴式变速器具有结构简单、加工及装配容易、造价低、离合器易于实现模块化设计等特点，且故障率低、可靠性高，对机器的工作性能有着重要的影响2。作为定轴式变速器中的一个重要部件，截锥螺旋弹簧具有良好的柔性和可设计性，能够灵活的吸收和释放机械能，广泛应用于减振、控制、限位和复位等场合。与普通的圆柱螺旋弹簧不同，截锥螺旋弹簧的刚度是变值，且圆锥角越大，自振频率的变化率就越高，对于缓和或消除共振越有利。在外廓尺寸相同的情况下，截锥螺旋弹簧能承受较大的载荷，并可以产生较大的变形，且全压缩高度较小。除此之外，它在承受载荷时的稳定性能也比较好，所以与圆柱螺旋弹簧

7、相比，它具有更大的横向稳定性。用传统的方法求解截锥螺旋弹簧载荷与变形的规律是一项非常复杂的任务，且精度较低，在实际生产攻关项目：河南省重点科技攻关项目（项目号：092101210103）作者简介：赵玉奇(1960-)，男，河南人，副教授，研究方向：先进制造技术；通讯作者：丁芳芳，女，硕士生，机械工程及自动化专业，TelE-mail：HYPERLINKmailto:来稿日期：2011-5-5中并不适用,SolidWorksSimulation的出现为快速准确的分析截锥螺旋弹簧的变形规律提供了可能性。SolidWorksSimulation是一款基于有限元（即FEA数值）

8、技术的分析软件。作为SolidWorks的一个插件，Simulation具有功能强大，易学易用，操作简单，计算可靠等特点。用Simulation对截锥螺旋弹簧进行刚度仿真分析，得到其非线性的特性曲线，并讨论弹簧在变载荷作用下的变形过程，对实际生产中截锥螺旋弹簧的设计及使用具有指导意义。1结构及受力分析1.1受力分析截锥螺旋弹簧安装在DANA公司的MHR-3200系列变速器的倒挡锁中，工作过程中其底面固定，顶面承受来自变速杆的法向变载荷，载荷范围约为0600N。1.2结构分析经测量后得到该截锥螺旋弹簧主要几何参数如表1所示。由产品使用说明书及易损件明细表知，该截锥螺旋弹簧材料为1566（ANSI

9、），对应我国材料牌号为65Mn(GB)。表1截锥螺旋弹簧几何参数Table1Geometricparametersofconicalspring参数簧丝直径/mm小端头直径/mm大端头直径/mm有效圈数圆锥角/数值5351056261.3截锥螺旋弹簧三维建模根据表1所列截锥螺旋弹簧几何参数用SolidWorks建立其三维实体模型,为便于分析，对其进行适当简化，最终模型由小圆盘、截锥螺旋弹簧和大圆盘三部分组成，如图1所示。2刚度仿真分析过程建立算例建立一个【非线性】的新算例。由于截锥螺旋弹簧是大柔度构件，在工作工程中会发生很大的变形，而一般的【静态】算例仅限于分析小位移类型的问题，故建立【非线性

10、】算例，使用大位移公式对弹簧进行分析，以保证结果的正确性。定义材料属性定义截锥螺旋弹簧的材料为65Mn，材料的力学性能数据如表2所示。表2材料的力学性能数据Table2Mechanicalpropertiesofmaterials材料屈服强度/Mpa弹性模量/GPa泊松比65Mn7852060.3定义相触面组分别在弹簧表面和大圆盘上端面、弹簧表面和小圆盘下端面上定义相接触面组，指定【无穿透】选项。添加约束在大圆盘底面上添加【固定几何体】约束条件，限制其六个自由度。在小圆盘圆柱表面上添加一个高级夹具，约束圆盘的径向位移和绕轴向的转动，该约束只允许弹簧沿轴向压缩或伸长。如图1所示。图1施加约束和载

11、荷图2载荷-时间关系图Figure1ExertconstraintsandloadFigure2Load-timerelationshipchart施加载荷在小圆盘的上端面上施加一个600N的压力，如图1所示。在非线性算例中载荷是随时间逐步加载的，载荷随时间的变化规律如图2所示。以上步骤完成了刚度仿真分析中数学模型的建立。划分网格为提高计算精度，采用二节实体四面体单元对截锥螺旋弹簧进行网格划分，每个四面体单元有4个角点和6个中间节点，每个节点具有3个平移自由度，如图3所示。该步骤完成了刚度仿真分析中有限元模型的建立。图3划分网格图4时间-位移响应图Figure3MeshingFigure4Ti

12、me-displacementresponsefigure运行算例选择解算器FFEPlus，设置求解结束时间为1s，时间增量选择“自动步进”，最小时间增量为1e-8，最大时间增量为0.05s。运行以上设置的非线性算例，计算完成后得到位移分析结果及相应的云谱图，其中图5为截锥螺旋弹簧最终的位移云图，图6为截锥螺旋弹簧的时间-位移非线性响应图。图5位移云图图6特性曲线Figure5DisplacementcontourFigure6Characteristiccurve3结果分析整合图4与图6可得截锥螺旋弹簧的特性曲线如图8所示，易看出其呈非线性，这是因为该截锥螺旋弹簧承受工作载荷时，在簧圈接触前

13、，载荷与变形成正比关系，在特性曲线图上表现为直线；当载荷逐渐增加时，簧圈从大端开始并死，随着并死圈数的增多，有效圈数相应的减少，弹簧刚度也随之逐渐增大，直到弹簧完全压并为止，这一阶段载荷与变形呈非线性关系，在特性曲线图上表现为曲线。由位移云图可以看出，该截锥螺旋弹簧已达到完全压并状态，说明其在600N法向压力作用下变形量最大，同时刚度也达到最大值。4结论借助SolidWorksSimulation有限元分析软件对截锥螺旋弹簧进行刚度仿真分析，得到其特性曲线，与标准的截锥螺旋弹簧特性曲线1无明显差异，证明了分析结果的正确性，为实际生产中的截锥螺旋弹簧的刚度分析提供了理论依据。验证了Simulation能够求解大位移非线性的问题，且具有功能强大，计算精确的特点，具有较强的实用性，对生产制造具有指导意义。参考文献1成大先机械设计手册M北京：化学工业出版社，20052DANAMHR&LFMHR2800/3200supplementServiceManualZAmerica：DANAHolding