矩形截面彈簧墊圈在重型工程機械變速箱中的設計分析

朱云開

（江蘇城市職業學院南通校區，江蘇南通226006）

矩形截面彈簧墊圈在重型工程機械變速箱中的設計分析

朱云開

（江蘇城市職業學院南通校區，江蘇南通226006）

本文通過對某工程機械變速箱中應用的矩形截面彈簧墊圈進行負荷、應力及撓曲的計算分析，從而得知工程機械運行過程中，彈簧墊圈的負荷及內部應力情況，并介紹了在某工程機械變速箱中選擇矩形截面彈簧墊圈時，應考慮的具體使用要求。

矩形截面；彈簧墊圈；負荷

重型工程機械是我國當前建筑、道橋、土方等施工中的一種主要機械，尤以履帶式應用更為廣泛，其機械傳動系統一般主要是由發動機、主離合器、聯軸器、變速箱、轉向離合器及驅動鏈輪等幾部分組成。其中，變速箱作為工程機械中央傳動單元，在工程機械的實際運行中起著將發動機的動力按需要適當降低轉速，增加轉矩后傳動到行走機構及驅動輪上，使之適應工程機械運行或作業的作用，是傳動系統中至關重要的一個部件。

圖1為某型號工程機械的變速箱結構原理圖，其主要采用行星排動力傳遞結構，行星排齒圈采用濕式摩擦片式離合器制動結構，當需要對某擋位行星排齒圈制動時，對應離合器油腔充油，在液壓油壓力的作用下，活塞將原本和行星排齒圈結合的摩擦片與固定與箱體上的光片壓緊，在摩擦力的作用下，摩擦片與光片合為一體，被箱體制動。

圖1　變速箱結構原理

本文主要對某工程機械中變速箱的關鍵部件——矩形截面彈簧墊圈的選取與設計做重點分析。

1　彈簧設計

（1）彈簧類型的選取

彈簧的類型和特性將直接關系到變速箱的可靠性和結構尺寸大小。圓形截面彈簧墊圈結構簡單，制造較為方便，負荷特性曲線接近直線，剛度較穩定。矩形截面彈簧墊圈比圓形截面的剛度大，吸收的能量多，特性曲線更接近于直線，剛度更接近于常數。當彈簧的工作載荷、材質、旋繞比以及在工作載荷作用下產生的變形量都相同的情況下，通過設計比較發現，圓形截面彈簧墊圈比矩形截面的外徑增加5%，自由長度增加27%.因此，彈簧壓緊濕式轉向離合器選用矩形截面彈簧墊圈[1]。

（2）彈簧的特征與要求

本設計中的矩形截面彈簧墊圈具有自由高度比較小，適合于小行程，其負荷特性近似于線性的特征。此外還應滿足：①彈簧線材為矩形截面；②彈簧圈數為1圈；③撓曲相對于自由高度足夠小；④接縫相對于直徑足夠小；⑤螺旋角足夠小；⑥作用于負荷點的摩擦力可以忽略[2]。

矩形截面彈簧墊圈的工作圖如圖2所示。

圖2　矩形截面彈簧墊圈

（3）基本計算公式

本文中計算所使用的符號意義如表1所示。

表1　符號意義

1）負荷和撓曲

先求出第1負荷P1.如圖3所示，彈簧的一端固定，另一端受到彎梁外負荷P1作用時，角度φ的點的彎曲力矩及扭曲力矩如下[3]：

圖3　彈簧墊圈的固定

彎梁的應變能量加上剩下的一半后，得到下面的公式：

將公式（1）和（2）代入公式（3），整理可得：

撓曲δ的計算公式如下：

式中，實際的彈簧考慮中心軸的傾角θ，得到下面的公式：

接下來考慮P2.在圖2中，力矩的平衡公式如下：

彈簧負荷P根據公式（5），（6）可知：

式中，

其中，k1為根據截面形狀a/b確定的定數，見下表2.

公式（7）的第1項表示第1負荷，第2項表示第2負荷，如果按照前述轉向離合器中矩形截面彈簧墊圈要求設計，則P2≤0.3P1，即使忽略第2項，也能夠充分近似。

2）內部應力和撓曲

在Φ=180°的點發生最大應力，通過下面的公式計算應力值[4]。

其中，k2為根據截面形狀a/b確定的定數，見下表2.

表2　定數k1、k2取值情況

（4）彈簧墊圈使用要求

某工程機械變速箱中矩形截面彈簧墊圈具體使用要求如下：

考慮離合器切割量，彈簧裝配空間、彈簧導向方法（原則上應通過扭矩銷導向），規定滿足以下條件的形狀和尺寸。

1）彈簧負荷

為確保離合器切割量，改善離合器系合，彈簧負荷應按照以下要求確定：

離合器分離時，P=10～20 kg；

離合器結合時，P=50～80 kg；

離合器最大磨損點結合時，P=80～120 kg.

其中，P值表示每個彈簧的負荷。

2）彈簧使用應力

彈簧材料選用高級彈簧鋼線（SWPA）或與之相當的產品；彈簧壽命應達到重復100萬次以上；彈簧表面粗糙度在6.3以下；離合器最大磨損應力滿足Q/STB15.036（圓柱螺旋彈簧的設計）的允許值。

另外，彎曲應力和扭曲應力同時作用于該彈簧，公式（9）的應力小，可以用公式（8）表示的最大扭曲應力來考慮。

3）彈簧自由高度的選擇方法

應選擇Hf/2r≤0.3（α≤6）.如果過大則變為θ＞30°，彈簧邊緣與對方產生明顯的滑動。

4）矩形截面a/b比矩形截面的長短邊之比原則上應選擇a/b≤2.5.超出這一范圍時，卷線時的應變增大，因此應事先與廠商協商。

5）彈簧邊緣的形狀

彈簧邊緣不可避免地要與對方面發生滑動，因此為避免給對方造成損傷，應帶有R0.5以上的圓角。

2　結論

本文重點分析了矩形截面彈簧墊圈在某工程機械變速箱中的應用及設計，了解其負荷、應力及撓曲的計算方法，并介紹在某工程機械變速箱中選擇矩形截面彈簧墊圈時，應結合彈簧負荷、使用應力、邊緣形狀等因素具體考慮。

[1]李家梅，傅庭森，賴韶飛.矩形截面螺旋壓縮彈簧優化設計[J].礦冶，1996，5（3）：22-25.

[2]唐進元.彈簧墊圈功能分析[J].長沙鐵道學院學報，1994，12（2）：7-11.

[3]李蕾.整枝機傳動機構中矩形截面彈簧的研究[D].北京：北京林業大學，2008.

[4]蔡瀟.裝載機變速箱仿真設計[D].西安：長安大學，2007.

Design and Analysis of the Spring Cushion Ring With Rectangular Section in the Transmission for Construction Machinery

ZHU Yun-kai
（Jiangsu City Vocational College（Nantong），Nantong Jiangsu 226006，China）

In this paper，a rectangular section spring cushion ring is used in the transmission for construction machinery，its load，stress and deflection is calculated and analysed.So that，load and internal stress of spring cushion ring is known in the operation process of construction machinery.The specific application requirements of the rectangular section spring cushion ring in a certain engineering mechanical transmission are introduced in this paper.

rectangular section；spring cushion ring；load

TH135.1

A

1672-545X（2016）10-0040-03

2016-07-29

朱云開（1980-），男，江蘇靖江人，講師，碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程。