载荷限制器碟形弹簧结构参数的合理选择

杨美芳

摘 要：文章深入分析了环链电动葫芦的安全保护装置载荷限制器的碟形弹簧结构参数的合理选择方法。通过文章的分析，希望对相关工作提供参考。

关键词：载荷限制器；碟形弹簧；摩擦片；变形量

依照国内外标准的有关规定，环链电动葫芦必须设置载荷限制器，其限制扭矩为额定扭矩的1.3～1.6倍。由于载荷限制器的制造误差、装配误差、和长期使用中的磨损，都会使载荷限制器的扭矩产生变化，有时甚至偏离设计值，造成制造过程中的调整困难和不稳定，甚至对环链电动葫芦的安全产生影响。

1 影响载荷限制器扭矩变化的主要因素

环链电动葫芦中常见的载荷限制器

如图1所示，它主要由齿轮、碟形弹簧、圆螺母、花键等零部件组成。其主要工作原理是：当负载超过限制器所限制的最大极限扭矩时，会产生打滑，从而起到安全保护的作用。

载荷限制器传递扭矩的能力与碟形弹簧的预压力P、摩擦片的摩擦半径rμ和摩擦系数u有关，并随P、rμ的增大而提高，其扭矩计算公式为：

T=P·u·rμ·z （1）

式中：T-扭矩（N·mm）；P-碟形弹簧的预压力（N）；u-摩擦系数；z-接合面数目；rμ-摩擦半径（mm）；D1-碟形弹簧内径（mm）；D2-碟形弹簧外径（mm）

通常取rμ=（D1+D2）/2

当载荷限制器的结构已确定时，从上式可以看出，u、rμ、z均为常数，而扭矩T的大小只与碟形弹簧预压力P有关。即式（1）可以用函数式表示：

T=H（P） （2）

由（2）式可以看出，载荷限制器的限制扭矩能否满足设计要求，关键在于P能否稳定在设计值内。

目前碟形弹簧的计算方法较多，其假设条件也各不相同。但由美国人阿尔曼（J.O.Almen）和拉兹罗（A.Laszlo）根据铁摩辛可（S.Timasheno）的假定条件而提出的近似计算方法，应用最为广泛，与实际情况也较为相符。其载荷和变形的基本关系为：

（3）

（4）

式中：c-直径比，c=D/d；

D-碟形弹簧外径（mm）；d-碟形弹簧内径（mm）；u-泊松比；E-材料弹性模量；P-弹簧载荷（N）；f-弹簧变形（mm）；s-弹簧片厚度（mm）；h-弹簧极限变形（mm）。

当碟形弹簧的结构参数确定时，从式（3）可知，载荷P是f的函数，即式（3）可以用函数方程表示：

P=G（f） （5）

f的变化对P的影响程度，可以用微分式表示：

dP=G′（f）df

即： （6）

由于载荷限制器的制造误差、装配误差和长期使用中的磨损，都会对碟形弹簧的变形f产生影响，附加一个变动量△f，从而引起载荷P产生一个变动量△P。P的变动必将使载荷限制器的限制扭矩T产生一个变动量△T。由于△T的大小，直接影响到限制器的性能，其值过大会使其限制扭矩偏离设计值，因此△T应尽可能小，也就是△P要尽可能小，即△P/△f→0，从而有：

即： （7）

当h、s和f的值满足上式时，有dP/df=0，限制器△T較小。f为碟形弹簧的变形，可以由限制器的结构确定。因此可以说：碟形弹簧的极限变形h和弹簧片的厚度s是影响载荷限制器扭矩变化的主要因素。

2 碟形弹簧载荷特性曲线与h和f的关系

由参考资料[1]介绍的碟形弹簧特性曲线，见图2，从该图所示的特性曲线形状可以看出，h/s的比值对载荷特性影响很大。h/s在不同的数值范围内时，特性曲线有如下特点。

图1 碟形弹簧的特性曲线

（1）当h/s>时，载荷增大到一定

值后，将出现栽荷减小而变形却会继续增大的负刚度特性区域，这时碟形弹簧的工作情况将是不稳定的。

（2）当h/s=0.5～时， 弹簧刚度随h/s的值增大而增大。在h/s<1时，特性曲线形状较陡，这时载荷的变化率较大，即△P/△f较大，前面已述这是不可取的。

3 结束语

综上分析可知，碟形弹簧的极限变形h和弹簧片的厚度s是影响载荷限制器扭矩变化的主要因素。其选值范围应在1

参考文献

[1]张英会.弹簧[M].机械工业出版社，1982.

[2]北京钢铁学院.机械零件[M].人民教育出版社，1980.