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The Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical Engineers NII-Electronic Library Service碟形彈簧的力
由 Minoru HAMADA 和 Yasuyuki SEGUCHI編寫
本文的研究內(nèi)容是關(guān)于碟形彈簧的行為的微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，研究利用勢能駐值原理的近似解的精度。由H. B.凱勒和E. L.提出的通過修改迭代程序的解決方案獲得的。賴斯的迭代過程獲得的近似解本質(zhì)上是和Wempner的近似解一樣的，但通過減少一個幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計公式的基礎(chǔ)上給出的更緊湊的近似解實在踐中是有效的，并且進(jìn)行了實驗，并與理論結(jié)果進(jìn)行了比較。
1、 介紹
本文討論的問題是碟形彈簧的軸向載荷下的強度，如圖1所示。根據(jù)碟形彈簧的幾何因素在許多方面，負(fù)載偏轉(zhuǎn)特性的分析有所不同；例如，我們發(fā)現(xiàn)的一些有趣案例，恒載撓度情況下，負(fù)彈簧常數(shù)。這些特征的分析，然而需要類似的不穩(wěn)定對扁球殼基于有限變形理論，展現(xiàn)“oilcanning”現(xiàn)象的問題復(fù)雜的解決。因此，我們可以找到一些近似解（1）（2）;由J.O. A1men 和Alaszlo in 1936（1）聯(lián)辦得到的近似的解決方案，通常用于盤簧的設(shè)計?，F(xiàn)在它是檢查這些近似解的精度非常重要的方法。
圖1 碟形彈簧軸向圖
在這份報告中，我們將介紹用于解決應(yīng)用E.Reissner的一般旋轉(zhuǎn)殼理論（3）以淺錐殼獲得的非線性常微分方程的數(shù)值方法。這個數(shù)值的過程是由H.?B.凱勒沙丘和E. L.賴斯（?4 ）在迭代過程的改進(jìn)的，因為在這一過程中，是由勢能駐值原理的近似解作為迭代增加其有效性的初步估計。這里所用的基本方程，并通過應(yīng)變能量法的近似解僅包括兩個幾何參數(shù)κ和ρ使計算的結(jié)果可以被安排在較簡單的形式，因此，盤簧的設(shè)計，可以更容易地進(jìn)行，而在以前的結(jié)果，包括Wempner的解決方案}2}三緣度量參數(shù)，也就是彈簧的高度，半徑比和彈簧厚度已被使用。
通過迭代多項式，引誘數(shù)值計算被執(zhí)行為各種幾何配置碟形彈簧并將其結(jié)果與該解決方案由應(yīng)變能量的方法相比。由此，可以確認(rèn)的近似解是根據(jù)本解決方案的設(shè)計公式給出的有足夠精確的實際用途。
從實驗的角度來看，雖然由J. O. Almen和A.拉斯洛}1?}的詳細(xì)結(jié)果是有效的，那么在這個調(diào)查的數(shù)值解相比，其他類型的碟形彈簧的生產(chǎn)和實驗實現(xiàn)fllirm效度的數(shù)值程序和應(yīng)變能量法得到的結(jié)果。
2、 基本方程
革命由E. Reissner變分，即假設(shè)小應(yīng)變，無剪切變形而得殼撓度理論，都寫在以下幾種形式：
其中
而且
Ε和ν是年輕的rnodulus和泊松比。其它符號β的定義按照圖2是由以下關(guān)系式定義的元素的旋轉(zhuǎn)角度：
圓錐殼方程由上述關(guān)系得到的（見圖1）。通過設(shè)置Dξ= ds，其等效于α= 1和
和此外通過使用以下近似
和限制非線性項的二階的旋轉(zhuǎn)角度β，微分方程（1）和（2）降低到以下形式：
碟形彈簧的載荷是軸向力P，沒有統(tǒng)一的正常壓力的存在條件，
因此，從方程（4）;
代方程。（9）和（10）代入式（7）和（8），我們有下面的關(guān)系式：
使用的無量綱變量f，g和x，這是定義的關(guān)系
方程（11）和（12）則成為
其中λ和Q是由以下表達(dá)式和參數(shù)定義：
差分方程（14）和（15）是適用于根據(jù)軸對稱軸向力P的任何圓錐殼，但是當(dāng)錐殼薄，淺，盤簧，這些方程可以簡化得多，而忽略了與λtanφ從假設(shè)H和φ分別為小，并使用表達(dá)式
方程（14）和（15）最終成為如下所示：
符號κ在方程（17）是幾何參數(shù)，這是關(guān)系到初始子午線角φ和厚度h，并且方便簡化計算和其結(jié)果的表現(xiàn)形式的程序，而符號Q 為負(fù)載參數(shù)。
記住盤彈簧的支撐力條件下使用時，我們考慮以下邊界條件：
案例A：隨意移動這兩個邊緣。
案例B：內(nèi)邊自由移動和外緣不動產(chǎn)。
（無徑向位移）
方案C：外緣不動產(chǎn)和內(nèi)緣自由移動。
除了上述邊界條件，被認(rèn)為是邊緣不動的情況下，但在這種情況下，碟形彈簧太硬。在上述方程，我們使用的符號ρ=?b／a。
如果方程的解由（18）和（19）得到，垂直偏轉(zhuǎn)和盤簧的應(yīng)力可以通過下面的關(guān)系來計算：
垂直撓度w：
徑向應(yīng)力的合力Nr：
周向應(yīng)力的合力No:
徑向彎矩的每單位長度Mr:
周圍的每單位長度的彎曲力矩Mθ:
基本方程（18）和（19）預(yù)計是一樣準(zhǔn)確，von Karman方程為板的大撓度的問題，并考慮到von Karman方程是足夠精確的在實踐中，使用公式得到的結(jié)果。 方程（18）和（19）預(yù)計也是準(zhǔn)確的。
3、近似解的應(yīng)變能法
獲得解決方案滿足上述關(guān)系，我們首先要解決的問題的碟形彈簧近似用應(yīng)變能的方法，用它作為迭代的初始估計由于更好的近似作為初始估計，更快的迭代收斂到解。該數(shù)值的過程也被稱為Keller-Reiss方法的改進(jìn)，因為在我們的方法中的負(fù)載參數(shù)的任意值的解決方案可以直接獲得，而在Keller-Reiss方法不能做。
假設(shè)該碟形彈簧仍圓錐形的外力施加后，我們設(shè)置
替代這個假設(shè)相容方程（19）和整合；g的近似解，得到如下：
而 和C1?C2是積分常數(shù)。
現(xiàn)在使用以下符號：
V：總的潛在能量
U：應(yīng)變能
Q：由外力勢能
而忽略了剪切應(yīng)力的影響，獲得以下關(guān)系：
其中
內(nèi)力和彎矩；Nr，No，Mr和Mo可考慮方程未知的fa表示。（24）至（29）。代入式（30），我們終于到達(dá)總勢能的表達(dá)式，即，
積分常數(shù)C1，C2是由邊界條件如下：
方案A
方案B
方案C
未知，fa是由勢能駐值原理dV / dfa = 0。然后由應(yīng)變能法最后的結(jié)果是
其中，M是從下列關(guān)系計算出的常數(shù)：
方案A
方案B
方案C
這應(yīng)該由邊界條件決定。方程（29）和（35）的應(yīng)變能量法的碟形彈簧近似解。應(yīng)當(dāng)指出的是，G. A. wempner的解決方案也由應(yīng)變能量法得到但它包括三個幾何參數(shù)，而本文的近似的解決方案包括兩個幾何參數(shù)的簡化表達(dá)式結(jié)果有用。然而，是容易看到的是，無論是哪個都是基本相同的。
4、數(shù)值解的迭代過程
如果未知。方程（35）確定的半徑比ρ為一定值，幾何參數(shù)k和負(fù)載參數(shù)Q，與以下幾步迭代過程進(jìn)行，fa作為初步估計：
（1）m?=?1，m是正整數(shù)作為迭代次數(shù)。
（2）解
（3）解
（4）計算fm
（5）使m+1→m然后跳到（2）。
在上面的過程，λ就是所謂的松弛參數(shù)
此過程中，如前所述，是Keller-Reiss的方法，其中所述迭代，必須從一個小的負(fù)載參數(shù)（對于該解決方案由線性理論和由非線性理論并不那么不同）進(jìn)行，以一個大的負(fù)荷參數(shù)，而上述迭代過程可以給負(fù)載參數(shù)的任意值的解決方案中。
松弛參數(shù)。λ是用來加速收斂的解決方案或防止發(fā)散。在一般情況下，提高了算法的收斂性能降低的參數(shù)值，收斂觀察不能被很好的參數(shù)的值的改善。
表1比較的撓度和應(yīng)力為n =50，100和200（V=0.3）
方程（39）和（40）與給定的邊界條件，可以很容易地用有限差分法求解，為他們的右手邊是在迭代法是一種線性化和每一步的認(rèn)識，應(yīng)用有限差分近似，他們成為線性代數(shù)方程組或三對角方程系統(tǒng)的解決方案，可以容易被消除的方法只有兩次是必需的。用于此目的的有限差分近似如下：
除了邊界內(nèi)的網(wǎng)格點，
對于這兩種界限
其中
N：網(wǎng)格數(shù)
（a） 撓度和應(yīng)力分布曲線
（b） 撓度和應(yīng)力分布曲線
（C）周向彎曲大負(fù)載參數(shù)應(yīng)力分布的例子
圖3
5、數(shù)值計算
進(jìn)行了數(shù)值計算，對于n=100和的情況下，因為它是最重要的。一般來說，用有限差分法求解的精度取決于其網(wǎng)格數(shù)N。表1給出了兩個例子，他經(jīng)常計算n=50，100，200顯示，對于n=100是足夠精確的實際用途的計算。
式中λ的松弛參數(shù)的最佳值（41）所應(yīng)選擇的試驗。當(dāng)它是計算的收斂是不好的條件下觀察到，λ值立刻進(jìn)行修改。改善這種不良狀況和減少計算時間，注意到一個較小的λ值一般應(yīng)足以不收斂條件。因此，計算程序是這樣寫的能夠改變的λ值手動操作時非常方便。
在迭代過程收斂的數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)，我們把
該解決方案解的精度，可以任意選擇η的值來確定。在這里，我們把
η =0.00005
數(shù)值計算是大阪大學(xué)NEAC-2206數(shù)字化計算機上執(zhí)行的。
6、數(shù)值結(jié)果
6.1偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力分布曲線
圖3顯示了幾個與無量綱形式的w/hCOSθ和應(yīng)力分布與后綴r和θ形式的平均徑向和環(huán)向薄膜應(yīng)力變形分布的例子，分別表示br和bθ平均徑向及周向彎曲應(yīng)力-ES。如圖所示，徑向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，因此只有周向應(yīng)力的周向應(yīng)力引起的討論。和彎曲應(yīng)力，沒有例外，內(nèi)邊緣處最大，且抗壓的上表面和下表面上的拉伸。另一方面，膜應(yīng)力的內(nèi)部邊緣的壓縮和拉伸的外邊緣處的撓度較小的地區(qū)除了的情況下，K為零。對變形較大的區(qū)域，它們的拉伸的內(nèi)緣和壓縮的外邊緣和一個瞬變點發(fā)生變形的中間值，膜應(yīng)力分布呈現(xiàn)奇異性[圖3（a）]。同時對負(fù)荷參數(shù)的彎曲應(yīng)力分布略有奇異[圖大值（C）]。不管怎樣，總應(yīng)力是薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力和最大的上表面或下表面的內(nèi)側(cè)邊。因此，圖5顯示了在6.3內(nèi)邊緣僅占總應(yīng)力。圖3中，由應(yīng)變能量法的近似的解決方案相比得到數(shù)值解。
圖4
6.2荷載-撓度曲線
碟形彈簧的載荷-撓度曲線的參數(shù)值和P=0.25，0.5和0.75，如圖4所示在負(fù)載是無量綱形式表達(dá)，在形式最大撓度。
在每一種情況下，比較了由應(yīng)變能量法的近似解。一般來說，如圖4所示，近似解與P的較小的值的數(shù)值解，但不為不穩(wěn)定區(qū)域是如此的精確。無論如何，能源解決方案的可能幾乎被稱為碟形彈簧近似。
6.3應(yīng)力-撓度曲線
無量綱總應(yīng)力在上、下表面與偏轉(zhuǎn)內(nèi)緣是顯示在圖5。圖5中，在上表面的曲線相交的下表面，這意味著最大應(yīng)力出現(xiàn)在上表面為較小的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)增加曲線，它跳到下表面。圖5中的虛線（B）是誰的錯誤被發(fā)現(xiàn)在瞬態(tài)點增加能源解決方案。但是，碟形彈簧，通常用于在最大應(yīng)力出現(xiàn)在上表面區(qū)域，因此能源解決方案的應(yīng)力-撓度曲線可能是良好的近似實際的目的。相反，記住，由應(yīng)變能法的應(yīng)力分布，結(jié)果并不總是好的合適的值。
6.4比較一Almen一Laszlo的實驗結(jié)果
通過J.O.Almen和A.Laszlo的實驗結(jié)果被認(rèn)為雖然是出色的。詳細(xì)的設(shè)備和方法在他們的論文中未示出。因此，我們嘗試一些比較這些結(jié)果與我們的計算結(jié)果如圖6。從這些數(shù)字，數(shù)值結(jié)果被發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果吻合較好，而能源解決方案：也有很好的近似，除了不穩(wěn)定的區(qū)域，此外，應(yīng)該指出的是，他們是Almen-Laszlo解決方案的改進(jìn)。
圖5
7、實驗
重申了數(shù)值解的有效性和能源解決方案，實驗獨立進(jìn)行Almen和Laszlo。
圖6
具體內(nèi)容如下：
1）標(biāo)本
標(biāo)本制成的SK鋼在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，Young's rnodulus E 和泊松比ν，可以采取如下：
E = 21000公斤/平方毫米，V = 0.3
它們的幾何配置表2。
試樣尺寸表2（毫米）
2）加載appratures測量系統(tǒng)
標(biāo)本，如圖7所示，是舉行了兩次加載附件和由奧爾森型測試儀加載之間。最大撓度測量的差動變壓器式位移計量，和負(fù)載細(xì)胞和X-Y記錄儀是用于在同一時間獲得連續(xù)的載荷-撓度曲線。固定邊界條件，二硫化鉬潤滑脂涂抹的試樣的接觸部分和加載附件被認(rèn)為是有效的。
圖7
（3）實驗結(jié)果
圖8 圖9
圖10
圖8圖顯示的各種試件的荷載-撓度曲線。在這些數(shù)據(jù)中觀察到，加載與卸載曲線不重合的曲線。這是由于試樣和加載附件，可以通過在接觸部分采用MoSz-grease有防止之間的摩擦力。但應(yīng)該指出的是，這是必然的-一些試樣的表的初始幾何缺陷。除了摩擦效應(yīng)，荷載撓度曲線也是這個初始缺陷十分敏感，尤其是彈簧高度的初始缺陷。實際上，大多數(shù)的荷載-撓度曲線實驗表明對于小負(fù)載值的參數(shù)如圖所示的奇異性，圖11。在這種情況下，測量高度C應(yīng)糾正δ圖11如下：
圖11
這種修正的計算和實驗結(jié)果之間的比較是非常重要的。所有的圖8圖10是以這樣的方式糾正。
在數(shù)字；實驗結(jié)果與能源解決方案相比，它是觀察到的結(jié)果顯示出良好的協(xié)議。因此，它被發(fā)現(xiàn)的能源解決方案可用于碟形彈簧的設(shè)計為更好的近似比阿爾-拉斯洛公式。
8、對碟形彈簧的設(shè)計計算公式
由應(yīng)變能量法的近似解減少到以下考慮實用方便的形式：
對于負(fù)載一偏轉(zhuǎn)特性，
這些應(yīng)力，
其中
W: 最大撓度
P：軸向力
σu：在內(nèi)部邊緣的上表面的總應(yīng)力
σL：在內(nèi)部邊緣的下表面的總應(yīng)力
E：楊氏模量
ν：泊松比
α，N, β, γ:常數(shù)
而且
圖12顯示的值的常數(shù)，α，N,β,γ取決于半徑比ρ，這圖也顯示方程（36）M的值。
9、摘要
碟形彈簧的微分方程的數(shù)值方法，基于Reissner理論彈簧的迭代過程，使檢測精度的近似解和實驗進(jìn)行了驗證這些結(jié)果的有效性。
近似解，本質(zhì)上是不gawempner方案得到的應(yīng)變能方法，但更加有用，因為有兩個幾何參數(shù)來代替wempner方案為碟形彈簧的一個很好的近似解。本報告中的數(shù)值方法是由Keller和Reiss的迭代程序的改進(jìn)，可以應(yīng)用于其他的非線性問題的近似解可以容易得到。
圖12
應(yīng)當(dāng)指出的是，在實驗結(jié)果中觀察到的實際的載荷 - 撓度曲線是通過摩擦力在邊緣和初始幾何缺陷的影響。
最后，作者想表達(dá)自己的感謝為自己便利進(jìn)行計算K.JO教授和助理教授S.Makinouch提供的設(shè)施
參考文獻(xiàn)
(1)J.O. Almen and A. Laszlo: Trans. ASME, Vo1.58（1936), p. 305.
(2)G.A. Wempner: Proc. Third U.S. Nat. Congr.Appl.Mech., (1958), p. 473.
(3)E. Reissner: Progr. Appl. Mech. The Prager Anni-versary Volume, (1963), p. 171.
(4)H.B. Keller and E.L. Aeiss: Proc. Third U.S. Nat.Congr. Appl. Mech:, (1958), p. 375.
文 獻(xiàn) 綜 述
前言
碟形彈簧是一種圓環(huán)墊片狀的材質(zhì)不同的金屬機械配件，是一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊的彈性元件。一般是通過相當(dāng)數(shù)量的疊加來提供足夠彈性伸展而發(fā)揮作用。由于有變剛度特性、承載能力大、緩沖減震性強并且易于獲取不同彈性特性和安裝緊湊等的特點，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)，石油工業(yè)以及航天工業(yè)等領(lǐng)域，很大范圍取代了圓柱形螺旋彈簧。碟形彈簧一般由金屬帶材、板材或鍛造坯料沖壓而成，其幾何構(gòu)型為截面呈淺圓錐狀的軸對稱回轉(zhuǎn)體。如圖所示
近年來，由于機械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，推動了彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等的發(fā)展。由于行業(yè)的需要，對于彈簧的檢測以及分選設(shè)備的設(shè)計開發(fā)，是彈簧工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。彈簧分選機是安裝在彈簧加工過程中的檢測工藝工段線上。對此，本設(shè)計是碟形彈簧分選機的設(shè)計，其涉及到機械、電氣等方面的技術(shù)，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，主要是碟形彈簧分選機的機構(gòu)設(shè)計。結(jié)合目前所掌握的各項技術(shù)，旨在開發(fā)一套具有較高自動化水平，安全可靠，性價比高的數(shù)控自動碟形彈簧分選機。
彈簧檢測是其生產(chǎn)過程必不可少的工序。測力是檢測的主要內(nèi)容之一。彈簧力參數(shù)直接影響彈簧的性能和工作狀態(tài)。尤其是高精度彈簧以及需配對或者配套使用的彈簧，要求嚴(yán)格按力參數(shù)分選包裝。這類彈簧大批量生產(chǎn)時，用手工在測力儀上測試存在如下間題：
（1）易產(chǎn)生操作誤差，包括有測量位移誤差，工件偏置誤差，操作速度變化而產(chǎn)生的附加動載荷、操作手柄在測試讀數(shù)時因抖動或松動引起的誤差;
（2）易產(chǎn)生讀數(shù)誤差，指針擺動慣性，操作者疲勞觀察錯覺等引起的誤差。
目前國內(nèi)市場上能見到的彈簧分選機大多數(shù)都是國外廠家開發(fā)生產(chǎn)的，國內(nèi)各彈簧生產(chǎn)設(shè)備及檢測設(shè)備生產(chǎn)的研究較少，因此本設(shè)計可提高我國彈簧檢測分選設(shè)備在全世界中的競爭力。我國自八十年代初開始研制自動測力裝置，至今還未有令人滿意的結(jié)果，究其原因可歸納為如下幾點。
（1）沒排除受檢彈簧與定位元件表面在測力過程中的摩擦力的影響及機械動作、液壓裝置沖擊所引起的附加動載荷的影響;
（2）沒有很好地消除測力裝置本身的加工和安裝誤差;
（3）受傳感器精度影響及分選控制誤動影響;
（4）大多數(shù)機型不能同時完成自動測力和分選功能。
由于手工操作檢驗及現(xiàn)有測力分選機的缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和檢驗效率。所以本文主要研究快速準(zhǔn)確的碟形彈簧分選機。
國內(nèi)各彈簧生產(chǎn)設(shè)備及檢測設(shè)備生產(chǎn)廠均未研制出高效實用的彈簧分選機。國外市場上能見的分選機類型為兩種—高精度型和高速度型;高精度型彈簧分選機主要用來分選那些精度要求很高的彈簧，如噴氣飛機的油門彈簧，該彈簧的每一個變形對應(yīng)相應(yīng)的飛行速度。因此，對這種彈簧的分檢要求十分苛刻，該彈簧的靜態(tài)負(fù)荷精度達(dá)要求達(dá)到0.3%以上，位移精度要求小于0.02mm，需要用到高精度型彈簧分選機才能滿足要求，但這種分選機的分選速度很低，一般低于每分鐘8件，不適合大批量彈簧生產(chǎn)的需要[fZl。國內(nèi)很多彈簧生產(chǎn)及檢測設(shè)備生產(chǎn)廠針對各自的需求研發(fā)了一些彈簧分選設(shè)備，如基于重力的彈分選機、基于尺寸的彈簧分選機、基于壓力的彈簧分選機，這些設(shè)備在功能和性價比上都還和國外同類產(chǎn)品有一定差距。
因此研究自動彈簧分選機技術(shù)，研制開發(fā)自動化程度高、運行經(jīng)濟(jì)、高速高
效的自動彈簧分選設(shè)備以替代進(jìn)口產(chǎn)品及國內(nèi)同類產(chǎn)品的不足，對適應(yīng)我國汽摩
行業(yè)發(fā)展和彈簧自動分選，以及推動整個工業(yè)自動化裝備國產(chǎn)化具有十分重要的
意義。
在分選機研究方面，國外公司起步較早。美國、日本、英國、瑞士的一些糧食加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)從事此項研究。因此早期的分選機主要運用在農(nóng)副產(chǎn)品如水果、谷物類等分選上。隨著工業(yè)化速度加快，在二十世紀(jì)四五十年代彈簧分選機運用與發(fā)展，但也僅限于像飛機油門彈簧等高精度分選場合。同時一些彈簧專業(yè)生產(chǎn)廠也根據(jù)自身需要開發(fā)了一些以單一要素為主要分選體的分選設(shè)備。如瑞典的 Tekno – Detaljer 公司于 1970 年開發(fā)的彈簧分選機。該類分選機雖在精度上具有較大的優(yōu)勢，但由于其大多結(jié)構(gòu)簡單，且分選單一，因此僅適合一些實驗性和小加工生產(chǎn)上作為檢測使用。
相對國外而言，國內(nèi)分選機的研究還處于起步階段，用于成品的還很少，目前主要是引進(jìn)或者改造國外的分選機。國內(nèi)生產(chǎn)彈簧分選機的主體企業(yè)并不多，只是一些企業(yè)主要依據(jù)自身的要求研發(fā)相應(yīng)的自動化程度較低的、分選比較單一的分選機，如杭州寶威機械廠研制的彈簧分選機，該機在設(shè)計上采用工位旋轉(zhuǎn)方式，速度與彈簧定位成為關(guān)鍵，速度過快彈簧可能在慣性下飛出工位，速度過低則達(dá)不到設(shè)計要求，且圓盤式結(jié)構(gòu)使得圓盤轉(zhuǎn)到的慣性難以控制。針對此種情況國內(nèi)一些科研機構(gòu)和大專院校結(jié)合實際也做了相關(guān)的研究工作，如湖北工業(yè)大學(xué)與武漢科技學(xué)院合作研發(fā)的數(shù)控彈簧高速自動分選機，該項目研究的數(shù)控彈簧高速自動分選機，開發(fā)了檢測系統(tǒng)抗漂移、抗干擾和變頻傳動高速分度系統(tǒng)；研制了快速采集和快速濾波系統(tǒng)；確定了數(shù)據(jù)特征值，開發(fā)了計算機快速彈簧檢測圖形分析及檢測軟件，但在速度與彈簧分組值上還有待提高。
本設(shè)計研究的碟形彈簧分選機結(jié)構(gòu)主要采用了工位旋轉(zhuǎn)工作模式與落料旋轉(zhuǎn)的分選方法。工位旋轉(zhuǎn)工作模式是彈簧相對于工位是不動的，故結(jié)構(gòu)的整體性是很好的，但是彈簧的重力作用在固定工位上，故限制了檢測的速度。落料旋轉(zhuǎn)的分選結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅結(jié)構(gòu)簡單而且噪音小等優(yōu)點。
方案比較
通過分析國內(nèi)外分選機的研究現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)實際需求，總結(jié)國內(nèi)外彈簧彈簧分選機的優(yōu)點與不足，可知碟形彈簧分選機關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下四個方面:碟形彈簧定位、分選機構(gòu)設(shè)計、電機控制、系統(tǒng)分選精度。
本設(shè)計主要研究碟形彈簧分選機的碟形彈簧的定位以及機構(gòu)設(shè)計。不同的結(jié)構(gòu)決定了分選機的性能的差異。
碟形彈簧分選機機械結(jié)構(gòu)的可靠與合理性是保障整機運行平穩(wěn)、可靠以及運行精度的核心組成部分。機械結(jié)構(gòu)部分主要由圓柱螺旋彈簧測定臺、分選分裝結(jié)構(gòu)及機架構(gòu)成。
目前碟形彈簧定位方案大致分為兩種類型，一種是碟形彈簧固定式，另一種是碟形彈簧運動方式。固定式即指工件相對工位固定，工位的數(shù)量不小于工件數(shù)量，在檢測工序過程中工件始終保持與工位的相對固定直到這個工位檢測完畢。固定式的方法有利于檢測臺結(jié)構(gòu)布局整體性，但由于利用彈簧自身重力作用固定在工位上，隨著工位運動必將限制運動的速度，降低了整個設(shè)備運行效率。碟形彈簧運動方式是指利用外力促使碟形彈簧在檢測流程中運動，直至檢測完畢送入分選框內(nèi)。該方式在結(jié)構(gòu)不及固定式的整體性，但在運行效率可控性方面得到極大提高，且在連接上位傳送機構(gòu)與下位分選裝置提供了良好銜接點?？紤]兩種定位方案利弊，綜合方案一的整體機構(gòu)性與方案二的可控性，采用了雙推固定雙進(jìn)的定位工作模式。
分選機分選機構(gòu)在保障有效落料方面起著核心控制作用，關(guān)鍵在于使碟形彈簧準(zhǔn)確快速的分裝在分選框內(nèi)。國內(nèi)外在這方面的研究時間相對較早，運用方式也越來越靈活多變。具有代表性的分別運用在農(nóng)業(yè)上的種子分選滾筒式、蘋果分選鏈條式，其次就是利用分選物料自身特性設(shè)計分選機構(gòu)—落料筒動定方式。
滾筒式與鏈條式原理相同，僅在結(jié)構(gòu)上有差別，都能適應(yīng)大量自動化生產(chǎn)的要求且效率也高，但由于結(jié)構(gòu)龐大以及是以大量的摩擦傳動為基礎(chǔ)，因此在設(shè)備運行過程中噪音大、資源消耗大，不適用于體積小、重量輕的離合器彈簧的分選。
落料筒動定方式有效運用了彈簧自身要素特點，在此基礎(chǔ)上而設(shè)計的兩種不同的分選方式。落料筒旋轉(zhuǎn)的方式相對與固定方式在結(jié)構(gòu)與防噪上更具有獨特優(yōu)勢，利用步進(jìn)電機帶動落料筒旋轉(zhuǎn)不僅結(jié)構(gòu)簡單，且步進(jìn)電機自身可控制好與運行噪音小等特點
綜上各方案比較，最終選擇如下圖送料方式及定位方式：
此送料裝置的設(shè)計要求是將受檢彈簧逐個連續(xù)地輸送給測力系統(tǒng)。設(shè)計方案是用一分料盤逐個將受檢彈簧從料斗中取出并輸送出去。
用SolidWorks繪制三維圖，用ansys對主要受力零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確保分選機機構(gòu)的穩(wěn)定性。
揚州大學(xué)廣陵學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計題目 碟形彈簧測力分選機結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 生 姓 名 閆相宜
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 機械81001班
指 導(dǎo) 教 師 周建華
完 成 日 期 2014 年 05 月 30 日
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
近年來，由于機械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，推動了彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等的發(fā)展。由于行業(yè)的需要，對于彈簧的檢測以及分選設(shè)備的設(shè)計開發(fā)，是彈簧工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。彈簧分選機是安裝在彈簧加工過程中的檢測工藝工段線上。對此，本文是針對碟形彈簧分選機的設(shè)計，涉及到機械、電氣等方面的技術(shù)，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，主要是碟形彈簧分選機的機構(gòu)設(shè)計。結(jié)合目前所掌握的各項技術(shù)，旨在開發(fā)一套具有較高自動化水平，安全可靠，性價比高的數(shù)控自動碟形彈簧分選機。彈簧檢測是其生產(chǎn)過程必不可少的工序，而測力是檢測的主要內(nèi)容之一。彈簧力參數(shù)直接影響彈簧的性能和工作狀態(tài)。尤其是高精度彈簧以及需配對或者配套使用的彈簧，要求嚴(yán)格按力參數(shù)分選包裝。
結(jié)合碟形彈簧的特點，本文旨在設(shè)計一種自動化數(shù)控機構(gòu)，能夠在生產(chǎn)碟形彈簧時，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。要求設(shè)計的試驗機能按照試驗標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行連續(xù)運行，運動動力源采用電動機，其篩選的范圍是根據(jù)碟形彈簧直徑而定為50mm-100mm。
關(guān)鍵詞 碟形彈簧 測力 分選 彈性系數(shù) 電動機
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Title Disc spring?force?mechanism design of?sorting machine
Abstract
In recent years, the rapid development of machinery industry, automobile industry and other industries, and promote the development of the product design and manufacturing process equipment and industrial spring material such as spring. Due to the need of the industry, for the spring testing and sorting equipment design and development, industrial development is the inevitable trend of spring. Spring sorter is installed in the spring of the detection processing section processes the line. In this regard, the design is a disc spring sorting machine design, which involves mechanical, electrical and other aspects of technology, is a typical mechatronic system design, primarily sorter disc spring mechanism design. Combined with the currently available technology, to develop a set of high level of automation, safe, reliable, cost-effective disc spring CNC automatic sorting machine. Spring testing is an essential step of its production process. One of the main load is detected. The spring force of the spring parameters directly affect the performance and operation. Especially in high-precision springs and spring required matching or supporting the use of force by demanding parameters sorting packaging.
Combining the characteristics of the disc spring, in the production of this paper is to design the disc spring, according to the different modulus of elasticity, elasticity test according to the different indicators screened different modulus of elasticity of the spring disc, and into a different tank falls to coned disc spring reaches the sorting purposes. Experimental design performance requirements in accordance with the design requirements of the standard test for continuous operation, the motive power source is an electric motor which is based on the range of screening the diameter of the disc spring is 50mm-100mm.
Keywords Disc spring force Dorting Dhe elastic coefficient The electric motor
閆相宜 碟形彈簧測力分選機結(jié)構(gòu)設(shè)計
目 錄
1 緒論 3
1.1 課題研究的目的及意義 3
1.2 工作原理 3
1.3 國外分選機研究現(xiàn)狀 4
1.4 國內(nèi)分選機研究現(xiàn)狀 4
2 方案的選擇與設(shè)計 6
2.1 本課題的設(shè)計任務(wù) 6
2.2 設(shè)計思想和思路 6
2.3 上料機構(gòu)的設(shè)計 6
2.4 定位方案選擇 7
2.5 測力機構(gòu)的選擇 10
2.6 分選機構(gòu)方案的選擇 10
3 總體的機構(gòu)設(shè)計 12
3.1 碟形彈簧分選機總體要求 12
3.1.1 工作環(huán)境 12
3.1.2 主要性能要求 12
3.1.3 工件要求 12
3.2 碟形彈簧測力分選機機構(gòu)組成 12
4 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
4.1 托盤設(shè)計 14
4.2 軸的設(shè)計 15
4.3 鍵的選擇 16
4.3.1 大鍵的選擇 16
4.3.2 小鍵的選擇 17
4.4 齒輪的設(shè)計 17
4.4.1 大齒輪的設(shè)計 17
4.4.2 小齒輪的設(shè)計 18
4.5 機座的設(shè)計 19
4.6 氣壓缸的選擇 20
4.7 軸承的選擇 20
4.8 液壓缸的選擇 23
4.9 軸承蓋的選擇 23
4.10 電動機的選擇 24
5 強度校核 26
5.1液壓缸的強度校核 26
5.2 托盤的強度校核 29
結(jié) 論 34
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附件：碟形彈簧測力分選機結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配圖及零件圖 37
1 緒論
1.1 課題研究的目的及意義
碟形彈簧是一種圓環(huán)墊片狀的材質(zhì)不同的金屬機械配件，是一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊的彈性元件，又名貝勒維爾彈簧墊圈，是法國人貝勒維爾發(fā)明的。一般是通過相當(dāng)數(shù)量的疊加來提供足夠彈性伸展而發(fā)揮作用。由于有變剛度特性、承載能力大、緩沖減震性強并且易于獲取不同彈性特性和安裝緊湊等的特點，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)，石油工業(yè)以及航天工業(yè)等領(lǐng)域，很大范圍取代了圓柱形螺旋彈簧。碟形彈簧一般由金屬帶材、板材或鍛造坯料沖壓而成，其幾何構(gòu)型為截面呈淺圓錐狀的軸對稱回轉(zhuǎn)體。如圖1-1所示。
圖1-1 碟形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖
由于機械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，推動了彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等的發(fā)展。由于行業(yè)的需要，碟形彈簧的合格與不合格，彈性系數(shù)不同的檢驗至為重要。碟形彈簧產(chǎn)量的增加也導(dǎo)致碟形彈簧分選工作量的增加。因此碟形彈簧測力分選機的設(shè)計，既能很好的按彈性系數(shù)分成幾類，又能提高檢測效率。
1.2 工作原理
結(jié)合碟形彈簧的特點，在生產(chǎn)碟形彈簧時，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。
碟形彈簧測力分選機由上料裝置、控制系統(tǒng)、測力機構(gòu)、分選機構(gòu)組成。上料裝置又分為自動上料裝置和手動上料裝置，手動上料裝置工作效率低下，而自動上料裝置效率高。將需要測力分選的碟形彈簧放入自動上料裝置，自動上料裝置通過傳送帶傳送并由氣缸推送使得彈碟形簧有序地推入碟形彈簧定位裝置，工作臺轉(zhuǎn)動使碟形彈簧進(jìn)入待測力點，以待檢測。測力機構(gòu)由加力裝置和稱重傳感器等零件組成，壓桿由液壓缸組成，液壓缸推動向下壓彈簧，直到達(dá)到預(yù)定的彈簧變形量時停止，稱重傳感器輸出檢測的值，控制系統(tǒng)通過測側(cè)值判斷彈簧是否合格，為哪一組彈簧，通過分選機構(gòu)的氣壓缸推出，將其送入相應(yīng)的料箱。
1.3 國外分選機研究現(xiàn)狀
在分選機研究方面，國外的公司起步較早，美國 ESM 公司及 Sortxe 公司分別于20 世紀(jì) 30 年代及 40 年代研制了這種設(shè)備，并根據(jù)市場需要不斷推陳出新。日本佐竹公司于 1979 年首次推出這種產(chǎn)品，且目前生產(chǎn)的 GS 系列大米色選機性能優(yōu)越，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，得到了廣泛的應(yīng)用。日本安西制作所一直著力于分選技術(shù)的研究，2002 年 4 月成功開發(fā)出世界首創(chuàng)的用于分選低粘度小麥的專用分選機AU，2004 年開發(fā)并生產(chǎn)搭載高速 CCD(ChargeCoupledDeviee)的大型號色選機。另外從事分選機研究的公司還有美國布勒集團(tuán)及英國和瑞士的一些糧食加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)。
因此早期的分選機主要運用在農(nóng)副產(chǎn)品如水果、谷物類等分選上。隨著工業(yè)化速度加快，在二十世紀(jì)四五十年代彈簧分選機運用與發(fā)展，但也僅限于像飛機油門彈簧等高精度分選場合。同時一些彈簧專業(yè)生產(chǎn)廠也根據(jù)自身需要開發(fā)了一些以單一要素為主要分選體的分選設(shè)備。如瑞典的 Tekno – Detaljer 公司于 1970 年開發(fā)的彈簧分選機。該類分選機雖在精度上具有較大的優(yōu)勢，但由于其大多結(jié)構(gòu)簡單，且分選單一，因此僅適合一些實驗性和小加工生產(chǎn)上作為檢測使用。目前國外市場上有兩種彈簧分選機——高精度型與高速度型；高精度型彈簧分選機用來分選那些分檢精度要求很高的彈簧，如噴氣飛機的油門彈簧，該彈簧的每個變形即對應(yīng)一個飛行速度。因此，這種彈簧對精度要求十分苛刻，但這種分選機的分選速度很低，一般低于每分鐘 4 件，不適合大批量彈簧生產(chǎn)的需要。高速度型彈簧分選機主要為大批量彈簧生產(chǎn)商研制的專用分選機，如英國Testometric 公司研制的 Testometric AT-S 機，這種分選機在速度上能達(dá)到較高的要4求，但高昂的費用使的大多數(shù)的企業(yè)都無法接受。
1.4 國內(nèi)分選機研究現(xiàn)狀
相對國外而言，國內(nèi)分選機的研究還處于起步階段，用于成品的還很少，目前主要是引進(jìn)或者改造國外的分選機。主要有:中美合資合肥安科光電有限公司引進(jìn)美國技術(shù)生產(chǎn)的分選機系列；由浙江齊鯉機械有限公司和韓國韓亞自動化(株式會社)聯(lián)合開發(fā)制作的 DIGE 呵 ICS 系列大米分選機；合肥美亞光電技術(shù)有限責(zé)任公司 2003 年 8 月推出的最新 VS 軟件系統(tǒng) 55-B 系列數(shù)字化分選機，其首次將高速浮點 DSP 數(shù)字信號處理技術(shù)及雷達(dá)中的抗干擾技術(shù)用于數(shù)字化分選機的開發(fā)。另外，核工業(yè)理化工程研究院自主研究生產(chǎn)的分選機 1996 年 11 月通過了國家鑒定，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上還有許多值得改進(jìn)的地方，各項技術(shù)指標(biāo)與國外產(chǎn)品相比還有一定的差距。
國內(nèi)生產(chǎn)彈簧分選機的主體企業(yè)并不多，只是一些企業(yè)主要依據(jù)自身的要求研發(fā)相應(yīng)的自動化程度較低的、分選比較單一的分選機，如杭州寶威機械廠研制的彈簧分選機，該機在設(shè)計上采用工位旋轉(zhuǎn)方式，速度與彈簧定位成為關(guān)鍵，速度過快彈簧可能在慣性下飛出工位，速度過低則達(dá)不到設(shè)計要求，且圓盤式結(jié)構(gòu)使得圓盤轉(zhuǎn)到的慣性難以控制。針對此種情況國內(nèi)一些科研機構(gòu)和大專院校結(jié)合實際也做了相關(guān)的研究工作，如湖北工業(yè)大學(xué)與武漢科技學(xué)院合作研發(fā)的數(shù)控彈簧高速自動分選機，該項目研究的數(shù)控彈簧高速自動分選機，開發(fā)了檢測系統(tǒng)抗漂移、抗干擾和變頻傳動高速分度系統(tǒng)；研制了快速采集和快速濾波系統(tǒng)；確定了數(shù)據(jù)特征值，開發(fā)了計算機快速彈簧檢測圖形分析及檢測軟件，但在速度與彈簧分組值上還有待提高。我國自八十年代初開始研制自動測力裝置，至今還未有令人滿意的結(jié)果，究其原因可歸納為如下幾點：（1）沒排除受檢彈簧與定位元件表面在測力過程中的摩擦力的影響及機械動作、液壓裝置沖擊所引起的附加動載荷的影響;（2）沒有很好地消除測力裝置本身的加工和安裝誤差; （3）受傳感器精度影響及分選控制誤動影響;（4）大多數(shù)機型不能同時完成自動測力和分選功能。
2 方案的選擇與設(shè)計
2.1 本課題的設(shè)計任務(wù)
結(jié)合碟形彈簧的特點，在生產(chǎn)碟形彈簧時，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。主要的設(shè)計難點在于碟形彈簧定位機構(gòu)、測力機構(gòu)和分選機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.2 設(shè)計思想和思路
如前所述，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，彈簧分選機的設(shè)計也得到了極大的提高，通過大量查閱資料和文獻(xiàn)，本文提出如下設(shè)計思路:
(1) 通過查閱大量拉力試驗機的資料提出性能更優(yōu)越的設(shè)計方案；
(2) 對碟形彈簧測力分選機進(jìn)行總體的機構(gòu)設(shè)計；
(3) 根據(jù)整體對各個部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計；
(4) 設(shè)計好整體及零部件后進(jìn)行強度的校核。
2.3 上料機構(gòu)的設(shè)計
根據(jù)碟形彈簧的外觀特性，本文選擇如圖2-1所示的傳送帶上料方式。傳送帶將碟形彈簧由左往右傳送，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時氣壓缸依次將碟形彈簧推送到托盤的定位工位上，完成上料。
1-傳送帶 2-氣缸
圖2-1 上料機構(gòu)示意圖
2.4 定位方案選擇
彈簧分選機定位機構(gòu)的設(shè)計計算，是分選機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的中心問題，也是決定分選機性能的關(guān)鍵之一。
目前碟形彈簧的定位方式一般分為兩種，分別是固定式和運動式。固定式即指工件相對工位固定，在測試過程中，工位的數(shù)量不小于工件數(shù)量，工件一直與工位相對固定直到這個工件檢測結(jié)束。運動式定位是指運用外力使彈簧在檢測過程中運動直到檢測完畢。固定式定位法有利于檢測臺結(jié)構(gòu)布局的整體性，但固定式定位法限制了工件的運動速度，降低了設(shè)備的整體運行效率。而運動式定位法雖然在整體性方面不及固定式，但在運行的效率以及可控性方面卻比固定式大大提高，且在連接上位傳送機構(gòu)與下位分選裝置提供了良好銜接點。
查詢和瀏覽了大量相關(guān)資料之后，參考了圓柱螺旋彈簧分選機的設(shè)計，選出了幾種定位方式進(jìn)行參考比較。
方案一：
圖2-2，2-3所示是一種定位方式推固定雙進(jìn)的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中數(shù)字的意義分別為：1支撐板、2檢測元件、3被測元件、4定位架、5小氣缸、6小氣缸座、7大氣缸、8工作臺。大氣缸推動小氣缸往返運動，到達(dá)設(shè)定位置后小氣缸帶動定位架將被測彈簧帶到下一工位，如此循環(huán)往復(fù)工作。
圖2-2 工位直進(jìn)式
圖2-3 現(xiàn)場圖
方案二：
圖2-4所示的機械傳送定位機構(gòu)由轉(zhuǎn)位油缸、分度板、三只爪（彈簧加壓）、控制凸輪、轉(zhuǎn)位工作盤等五個部件組成。齒輪上的一號爪卡入分度盤上的一個槽中，轉(zhuǎn)位油缸帶動一號爪轉(zhuǎn)動，一號爪帶動分度盤轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過45度時，二號爪與三號爪同時卡入分度板上的兩個相應(yīng)槽內(nèi)。此時，轉(zhuǎn)位工作臺保持不動，彈簧進(jìn)入待測位置，然后，測力機構(gòu)作壓縮運動，轉(zhuǎn)位油缸退回，一號爪卡入分度板的另一相應(yīng)槽內(nèi)，控制凸輪擋回二號爪的爪尖，使二號爪與分度板隔開。測力油缸活塞退回原位，進(jìn)入下一個循環(huán)。（引用：WGTF_500型彈簧負(fù)荷分選機的研制）
圖2-4 工位旋轉(zhuǎn)式
方案三：
圖2-5所示的是一種彈簧測力機構(gòu)，使用V型塊定位，使彈簧中心與傳感器對應(yīng)，測力桿沿著彈簧中心軸心移動壓縮彈簧，實現(xiàn)測力，再進(jìn)行分選。本方案與上述兩方案不同之處在于工件是平放著進(jìn)行測試，工位固定單一，工位不隨著工件移動。
1-傳感器 2-定位元件 3-盤形凸輪 4-控制主軸 5-鏈輪 6-圓柱凸輪
7-傳動桿 8-滑塊 9-推桿 10-間隙補償器 11-測量桿 12-傳力桿
圖2-5 工位固定式
1-液壓缸 2-托盤 3-定位孔
圖2-6碟簧定位機構(gòu)示意圖
根據(jù)方案的對比我們不難發(fā)現(xiàn)，如圖2-6的方案更直觀簡單，因此最終方案。
如圖2-6為本設(shè)計的碟形彈簧定位機構(gòu)圖，碟簧由上料裝置的氣缸推送入定位孔，托盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到測試工位時液壓缸推動壓頭下壓，完成檢測，托盤再次轉(zhuǎn)動，進(jìn)入分選機構(gòu)分選。托盤再轉(zhuǎn)動將下一個碟形彈簧轉(zhuǎn)到測試工位，如此循環(huán)。
2.5 測力機構(gòu)的選擇
通過查閱資料，總結(jié)得出彈簧分選機的測力機構(gòu)有兩種型式，一種為立式，即垂直給予壓力進(jìn)行測量：另外一種為臥式，即水平給予壓力進(jìn)行測量。兩種方案如2-7圖。
A-彈簧自由高度 B-壓縮后高度
C-試壓頭 D-傳感器
（a）立式 (b)臥式
圖2-7測力機構(gòu)
彈簧的測試原理如圖2-7所示，當(dāng)彈簧進(jìn)入待測位置時，施壓頭向下壓一定的行程壓縮彈簧，彈簧下方的傳感器隨即輸出測試值。
根據(jù)碟形彈簧的特點，本設(shè)計選用立式，壓頭由液壓缸推動向下壓設(shè)定的行程，壓縮碟簧進(jìn)行檢測，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-6所示。
2.6 分選機構(gòu)方案的選擇
碟形彈簧測力檢測完之后，控制中心通過測力的值判斷碟形彈簧是否合格，是哪一類彈性系數(shù)的碟形彈簧，并由分選機構(gòu)執(zhí)行將檢測分選好的碟形彈簧推入不同的落料箱中，最終完成碟形彈簧的分選。
結(jié)合本文所設(shè)計的定位機構(gòu)，測力機構(gòu)，設(shè)計出分選機構(gòu)如下圖2-8所示，有五個氣壓缸分別對應(yīng)于五個工位，經(jīng)過測力檢測后的碟形彈簧由控制系統(tǒng)判斷該碟形彈簧的分選范圍，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的工位時，相應(yīng)的氣壓缸啟動，推出碟形彈簧并落入落料箱中，完成分選。
1-分選氣壓缸一 2-分選氣壓缸二 3-分選氣壓缸三
圖2-8 分選結(jié)構(gòu)示意圖
37
3 總體的機構(gòu)設(shè)計
3.1 碟形彈簧分選機總體要求
3.1.1 工作環(huán)境
（1） 室內(nèi)使用；
（2） 環(huán)境溫度：-20℃~40℃；
（3） 電壓要求：220v/50Hz，電壓穩(wěn)定度，接地電阻小于5Ω；
（4） 工作制度：24小時不間斷工作。
3.1.2 主要性能要求
（1） 碟形彈簧應(yīng)能完成對碟形彈簧彈力值檢測、合格與不合格品分組，并且能對一定直徑范圍內(nèi)的彈簧進(jìn)行檢測。
（2） 應(yīng)具有電機急停、校準(zhǔn)、復(fù)位等功能。
（3） 將待檢測彈簧循環(huán)輸送至各檢測工位，顯示器實時顯示檢測的各項參數(shù)值。
（4） 系統(tǒng)按照設(shè)定值對檢測的彈簧參數(shù)值進(jìn)行判斷，將合格品與不合格品自動推入不同料箱。
（5） 設(shè)備工作速度應(yīng)每小時至少完成500工件。
（6） 設(shè)備精度：自由長度精度小于0.01mm，壓力值測試精度小于0.1N。
3.1.3 工件要求
（1）碟簧要求：GB/T 1972-2005 碟形彈簧國家標(biāo)準(zhǔn)；
（2）檢測直徑范圍：50mm～100mm。
3.2 碟形彈簧測力分選機機構(gòu)組成
根據(jù)查閱的各種文獻(xiàn)資料，勾勒出了碟形彈簧測力分選機的總體機構(gòu)的藍(lán)圖。如圖3-1，3-2所示，碟形彈簧測力分選機機構(gòu)主要由三個部分組成，即碟形彈簧定位機構(gòu)、測力機構(gòu)和分選機構(gòu)。這三個部分由各個零件組合而成，裝配后放入底座中。底座采用鑄造工藝制作而成，以提供穩(wěn)定的支撐。
定位機構(gòu)即托盤與空心軸通過健連接，空心軸上有套筒，并且有一個深溝球軸承，兩個圓柱滾子軸承裝在軸上，分別承受徑向與軸向的載荷力。將空心軸放在底座中，電動機放在底座的電動機支架上，電動機上的齒輪與套在空心軸最后一節(jié)的大齒輪嚙合用以傳動。
測力機構(gòu)安裝在底座上，主要為一個小型液壓缸給予壓力壓跟隨托盤轉(zhuǎn)動到檢測工位的碟形彈簧。
分選機構(gòu)安裝在底座上，橫跨托盤，主要由氣壓缸給予推力將分選出的碟形彈簧推出托盤落入不同的落料箱中，最終完成分選。
圖3-1 碟形彈簧測力分選機機構(gòu)三維圖
圖3-2 碟形彈簧測力分選機機構(gòu)三維剖面圖
4 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 托盤設(shè)計
托盤起著定位碟形彈簧和轉(zhuǎn)動碟形彈簧到測力以及承受測力的作用。因此要考慮到碟形彈簧定位的槽的大小設(shè)計，托盤厚度強度等的考慮，設(shè)計出如下托盤。
圖4-1,4-2,4-3所示分別為托盤的三維視圖和二維視圖。
圖4-1 托盤三維正面視圖
4-2 托盤三維反面視圖
圖4-3 托盤二維圖
由上圖可知，托盤上開有五個槽，等均分布，用于碟形彈簧工件的定位；分度盤上部外徑640，內(nèi)徑50mm，與外徑50mm的軸配合；并且開有bh為14mm9mm鍵的鍵槽。了能夠承載較大的壓力，設(shè)計為加有強筋的托盤，既保證強度，又不會太重。材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理。
4.2 軸的設(shè)計
本機構(gòu)中軸通過軸承、齒輪傳動將電動機扭矩傳遞給托盤，使托盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)行工位變換。本文將進(jìn)行計算，設(shè)計出符合規(guī)格的軸徑。
托盤的轉(zhuǎn)動慣量公式為
其中，，
所以
所需功率，設(shè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一個工位需0.5s，即，由此可得，這是α勻速運轉(zhuǎn)所需功率。設(shè)定在0.1s內(nèi)轉(zhuǎn)盤速度達(dá)到，則角加速度，則，所以瞬時所需功率。
軸所傳遞轉(zhuǎn)矩，則最小直徑，其中取110，β取0.6。
材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理。
圖4-4 軸
圖4-4所示為軸，所以直徑25mm太小，取外徑D1為30mm，長L1=25mm，所以第二段軸外徑D2=40mm，L2=75mm，第三段D3為55mm，長L3=240mm，第四段外徑D4=63mm，長L4=170mm，第五段外徑D4=55mm，長L4=49mm，第六段外徑D4=50mm，長L4=60mm
各軸端倒角均為0.5×45°。
倒圓角半徑均為0.5mm。
4.3 鍵的選擇
4.3.1 大鍵的選擇
圖4-5所示為軸與托盤之間連接所選擇設(shè)計的鍵，查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》選出鍵14×36,主要尺寸及選擇參數(shù)已標(biāo)出。
圖4-5 大鍵
4.3.2 小鍵的選擇
圖4-6所示為軸與托盤之間連接所選擇設(shè)計的鍵，查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》選出鍵8×15,主要尺寸及選擇參數(shù)已標(biāo)出。
圖4-6 小鍵
4.4 齒輪的設(shè)計
4.4.1 大齒輪的設(shè)計
大小齒輪中心距a=170mm，傳動比n=4，大齒輪的主要參數(shù)為模數(shù)m=2,齒頂高，齒根高,根據(jù)，分度圓直徑d=272mm，m=2可以計算出齒數(shù)Z=136，根據(jù)齒頂圓直徑公式可得到=220+4=224mm,根據(jù)齒根圓公式可以得到=272-5=267mm，根據(jù)齒距公式可得到p=6.28mm,齒厚，可得到s=3.14mm,由于第一段軸與大齒輪配合并用大鍵連接，因此=50mm,所以可以設(shè)計出大齒輪的結(jié)構(gòu)。材料選用40Cr。
由于大齒輪較大，為了減輕齒輪重量，設(shè)計出如圖4-7所示的大齒輪。
圖4-7 大齒輪
4.4.2 小齒輪的設(shè)計
大小齒輪中心距a=170mm，傳動比n=4，小齒輪的主要參數(shù)為模數(shù)m=2,齒頂高，齒根高,根據(jù)，分度圓直徑d=68mm，m=2可以計算出齒數(shù)Z=34，根據(jù)齒頂圓直徑公式可得到=68+4=72mm,根據(jù)齒根圓公式可以得到=68-5=63mm，根據(jù)齒距公式可得到p=6.28mm，齒厚，可得到s=3.14mm,小齒輪通過Z2漲緊套與電動機軸固定，Z2漲緊套d=19mm, D=47mm電動機軸d=19mm，因此=,47mm,所以可以設(shè)計出小齒輪的結(jié)構(gòu)，如圖4-8。材料選用40Cr。
圖4-8 小齒輪
4.5 機座的設(shè)計
為了使得整個裝置的穩(wěn)定和美觀，設(shè)計出如圖4-9，4-10所示尺寸的機座，材料選擇HT200鑄造。
圖4-9 三維機座圖
4-10 二維機座圖
4.6 氣壓缸的選擇
由于碟形彈簧的特性，設(shè)計在分選的時候采用小型氣壓缸推出碟形彈簧進(jìn)行分選，選用五個AIRTAC公司生產(chǎn)的SDAS_25x120型號氣壓缸，即內(nèi)徑25mm，行程120mm，如圖4-11所示。
圖4-11 SDAS_25x120型號氣壓缸
4.7 軸承的選擇
軸承是機械中的固定機件。當(dāng)其他機件在軸上彼此產(chǎn)生相對運動時，用來保持軸的中心位置及控制該運動的機件。
按其所能承受的載荷方向可分為：1.徑向軸承，又稱向心軸承承受徑向載荷；2.止推軸承，又稱推力軸承，承受軸向載荷；3.徑向止推軸承，又稱向心推力軸承，同時承受徑向載荷和軸向載荷。
向心力軸承：適用于極限轉(zhuǎn)速比高，軸向承載能力少量的機構(gòu)。其性能和特點是主要承受徑向載荷，也可以同時承受小的軸向截荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷，大量生產(chǎn)，價格最低。
推力球軸承：適用于極限速比低，軸向承載只能承受單向的軸向載荷。其性能和特點是為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作時必須加有一定的軸向載荷。高速時離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低。向心推力軸承：主要適用于軸向力和徑向力都比較大的機構(gòu)。
在此次做的碟形彈簧測力分選機的機構(gòu)里面軸承主要是承受軸向力，承受較小的徑向力，為了使軸向和徑向受力平穩(wěn)，所以根據(jù)需要在這里選擇了推力球軸承和深溝球軸承配合使用.如圖所示
查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》得選用推力球軸承51208型，主要性能參數(shù)d=40mm,D=68mm。如圖4-12，4-13所示。
圖4-12 推力軸承三維圖
圖4-13 推力軸承二維圖
查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》得選用深溝球軸承6314型，主要性能參數(shù)d=55mm,D=100mm。如圖4-14,4-15所示。
圖4-14 深溝球軸承三維圖
圖4-15 深溝球軸承二維圖
4.8 液壓缸的選擇
根據(jù)碟形彈簧的特性以及碟形彈簧測力分選機的工作原理，選擇液壓缸帶動壓頭給予碟形彈簧壓力的目的，選用內(nèi)徑為63的液壓缸工作。如圖4-16所示。
圖4-16 液壓缸
4.9 軸承蓋的選擇
根據(jù)軸承的尺寸，查《機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊》設(shè)計出可使用的軸承端蓋。如圖4-17和4-18所示。
圖4-17 軸承蓋三維圖
圖4-18 軸承蓋二維圖
4.10 電動機的選擇
本機構(gòu)采用交流伺服電動機，該電機的結(jié)構(gòu)特點是為一般防滴式。防止直徑大于12mm的小固體異物進(jìn)入并防止沿垂地線成60度角或小于60度角的淋水對電機的影響。
用途及使用范圍：適用于驅(qū)動無特殊要求的各種機械設(shè)備，如金屬切削機床，鼓風(fēng)機，水泵，運輸機等。主要性能及特點效率高、耗電少，性能好，噪音低，振動小，體積小，重量輕，運行可靠，維護(hù)方便，Y系列絕緣為B級。
使用條件及工作方式：海拔不超過1000m；環(huán)境溫度不超過+40℃；額定電壓為380V，額定頻率為40Hz；3KW以下為Y接法，4KW及以上為Δ接法；工作方式為連續(xù)使用。
選用MSMD08-2S1U型交流伺服電機，其技術(shù)參數(shù)有功率7.5KW,額定轉(zhuǎn)速3000r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，滿足本機構(gòu)的要求。如圖4-19所示。
圖4-19 伺服電動機
5 強度校核
5.1液壓缸的強度校核
液壓缸的主要作用是固定液壓缸，當(dāng)液壓缸工作時，液壓缸上裝載的壓頭就會給托盤一定的壓力，液壓缸座就有反作用力，因此就需要對液壓缸進(jìn)行強度校核。
運用solidwoks自帶的SimulationXpress Study算例進(jìn)行靜態(tài)載荷分析。
（1） 如圖5-1所示，添加新算例，類型選擇靜態(tài)。
圖5-1 新算例
質(zhì)量:16.0212 kg，體積:0.002054 m^3，密度:7800 kg/m^3，重量:157.008N。
（2） 添加夾具：選擇固定孔，如圖5-2所示。
圖5-2 添加夾具
（3）添加載荷：選擇力，施加7kn垂直于液壓缸座上表面，模擬63液壓缸壓縮碟形彈簧時對液壓缸座所作的反作用力。如圖5-3所示。
圖5-3 添加載荷
（4） 選擇材料：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼。詳細(xì)參數(shù)如圖5-4，5-5所示。
圖5-4 選擇材料
選擇材料后出現(xiàn)楊氏模量和屈服強度如圖5-5所示。
圖5-5 選擇材料
（5） 運行模擬：如圖5-6所示。
圖5-6 運行模擬
（6） 生成網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好，如圖5-7所示。
圖5-7 生成網(wǎng)格
（7）運行，產(chǎn)生結(jié)果如圖5-7,5-8所示：分別為顯示應(yīng)力和顯示位移。
圖5-7 顯示應(yīng)力
圖5-8 顯示位移
由演示結(jié)果可以得出，屈服力為185000000 N/m^2，而最大應(yīng)力為85719768N/m^2，因此液壓缸合格，可以使用。
5.2 托盤的強度校核
（3） 如圖5-9所示，添加新算例，類型選擇靜態(tài)。
圖5-9 新算例
質(zhì)量:63.4609 kg，體積:0.00813602 m^3，密度:7800 kg/m^3，重量:621.917 N。
（4） 添加夾具：選擇固定孔，如圖5-10所示。
圖5-10 添加夾具
（3）添加載荷：選擇力，施加7kn垂直于托盤碟形彈簧定位槽，模擬63液壓缸壓縮碟形彈簧時對托盤所作的作用力。如圖5-11所示。
圖5-11 添加載荷
（7） 選擇材料：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼。詳細(xì)參數(shù)如圖5-12所示。
圖5-12 選擇材料
選擇材料后出現(xiàn)楊氏模量和屈服強度如圖5-13所示。
圖5-13 選擇材料
（8） 運行模擬：如圖5-14所示。
圖5-14 運行模擬
（9） 生成網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好，如圖5-15所示。
圖5-15 生成網(wǎng)格
（7）運行，產(chǎn)生結(jié)果如圖5-16,5-17所示：分別為顯示應(yīng)力和顯示位移。
圖5-16 顯示應(yīng)力
圖5-17 顯示位移
由演示結(jié)果可以得出，屈服力為185000000 N/m^2，而最大應(yīng)力為121993904 N/m^2，因此托盤合格，可以使用。
結(jié) 論
畢業(yè)設(shè)計是本科階段一次非常重要的而且難得的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，它跟課程設(shè)計一樣是將理論學(xué)習(xí)和實際相結(jié)合的學(xué)習(xí)過程，但是它比課程設(shè)計歷時更長，運用的知識更多，考察的東西更多，對個人的學(xué)習(xí)能力和思維能力都是一場考驗。
通過這次碟形彈簧測力分選機機構(gòu)設(shè)計，我努力的從固定的理論學(xué)習(xí)，固定的思維中跳脫出來，運用自己本科四年所學(xué)習(xí)到的相關(guān)知識，解決實際的機械設(shè)計問題，同時我也發(fā)揮自己瀏覽文獻(xiàn)資料，篩選有用的信息，從整體機構(gòu)的設(shè)計出發(fā)，再逐步細(xì)化到局部、零件的設(shè)計，反復(fù)對比斟酌修改，最終定下了本論文所闡述的設(shè)計。在此期間，我的動手制圖能力得到提升，思考問題并且解決問題的能力得到鍛煉，并且抗壓能力，毅力以及追求完美的品質(zhì)都得到一定的提升。這些正是畢業(yè)設(shè)計所要考察的地方以及最終目的。
雖然畢業(yè)設(shè)計考察的東西比較多，真正實施起來也比較繁瑣，但是自打開始以來，我樂在其中，各種零部件的設(shè)計，各種標(biāo)準(zhǔn)件的選用，反復(fù)的斟酌查找資料，接觸到很多上課時候接觸不到的知識。而機構(gòu)的設(shè)計裝配，也在自己慢慢的琢磨中成型，看著自己機構(gòu)裝配三維圖的慢慢形成，心里有種興奮與欣慰。
在設(shè)計期間，軸的配合帶動整個托盤轉(zhuǎn)動這部分是最頭疼的地方，但是我堅持不懈，反復(fù)的修改試驗，查找資料，詢問周建華老師，最終定案的時候興奮的差點蹦起來。自此我得出，再大的困難也抵不過人的堅持。
人的一生都該在不斷的學(xué)習(xí)不斷的進(jìn)步，這一次的畢業(yè)設(shè)計讓我積累了更多的專業(yè)知識，也檢驗了我倫理與實踐結(jié)合的能力，讓我受益匪淺。
致 謝
本設(shè)計是在周建華教授的精心指導(dǎo)下才最終得以完成的。在設(shè)計的研究過程中，周老師不僅從綱領(lǐng)上為我把握方向、提煉思路，還在日常生活中給予我諄諄教誨和鼓勵支持。本設(shè)計的最終完成，凝聚著周老師的一番心血。在與周老師的交流過程中，老師敏銳的洞察能力、謙遜的為人處事、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識都給我留下了深刻的印象，是我科研道路上的指路明燈。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師周建華教授表達(dá)我心中的敬意與感謝。
感謝韓杰同學(xué)在課題研究階段對我的幫助，在和他的共同學(xué)習(xí)探討中，科研中許多難題得到解決。
感謝我的父母在生活上對我的關(guān)心與鼓勵，使我沒有后顧之憂，能夠安心工作和學(xué)習(xí)。
最后衷心感謝為審閱本文而付出辛勤勞動的各位專家學(xué)者
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附件：碟形彈簧測力分選機結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配圖及零件圖
閆相宜
2014年5月