摘 要

波形弹簧是一种结构特殊的弹簧，其轴向长度小于一般的弹簧，具有变刚度的特性，可以起到减振缓冲复位等作用，有潜力取代传统的螺旋弹簧，在机械制造、汽车、航天航空等方面有着广阔的应用前景。但目前波形弹簧采用的都是弹簧钢制作，考虑到复合材料的可设计性，本文采用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料来制备波形弹簧。

本文用低压接触成型制备复合材料波形弹簧，制作出相应尺寸大小的模具，压制成试验试样，对波形弹簧的三种结构参数进行了设计，研究各自对弹簧性能的影响。除此之外，基于材料力学的理论，计算波形弹簧的弹性系数，对比试验所得的弹性系数进行分析讨论。

研究表明，弹簧的宽度、波数以及厚度对波形弹簧的性能有着不同程度的影响，且弹性系数的理论值和实际值存在一定的差异，需要对公式进行哟定的修订。

关键词：复合材料；波形弹簧；弹性系数；结构参数

Abstract

Wave spring is a kind of spring with special structure. Its axial length is less than that of ordinary spring. It has the characteristics of variable stiffness. It can reduce vibration, buffer and reset. It has the potential to replace the traditional spiral spring. It has broad application prospects in mechanical manufacturing,automobile, aerospace and other fields.But at present, the waveform spring is made of spring steel. Considering the designability of the composite material, the waveform spring is made of glass fiber reinforced epoxy resin matrix composite material.

In this paper, waveform springs of composite materials are fabricated by low pressure contact forming. Dies of corresponding sizes are made and pressed into test samples. Three structural parameters of waveform springs are designed and their effects on the properties of springs are studied. In addition, based on the theory of material mechanics, the elastic coefficients of waveform springs are calculated, and compared with the elastic coefficients obtained from experiments.

The results show that the width, wave number and thickness of the spring have different effects on the performance of the waveform spring, and there are some differences between the theoretical and actual values of the elastic coefficients, so the formula needs to be revised.

Key Words:Composite material; Waveform spring; Elastic coefficient; Structural parameters

目 录

第一章 绪论 1

1.1波形弹簧 1

1.1.1波形弹簧结构 1

1.1.2波形弹簧特点 2

1.1.3波形弹簧的应用 2

1.1.4波形弹簧的理论计算 4

1.2研究背景及意义 6

1.3国内外研究现状 7

1.3.1国内研究现状 7

1.3.2国外研究现状 7

1.4研究的主要内容和方法 8

第二章 实验部分 9

2.1实验原料的选择 9

2.1.2增强材料的选择 9

2.1.2基体的选择 9

2.1.3固化剂的选择 10

2.2实验成型工艺 10

2.3实验设备及仪器 10

2.4实验试样制备 11

2.4.1模具的制作 11

2.4.2试样的制备 12

2.5实验测试 13

第三章 结果讨论和分析 14

3.结果与讨论 14

3.1弹簧宽度对复合材料弹簧性能的影响研究 14

3.2弹簧波数对复合材料弹簧性能的影响研究 15

3.3弹簧厚度对弹簧性能的影响研究 16

3.4弹性系数的计算与分析 16

第四章 结论与展望 19

4.1结论 19

4.2展望 19

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1.1波形弹簧

弹簧是一种利用其弹性特性来工作的机械零件。弹簧在很早的时候就得到了应用，古代的弓箭就是广义上最早被使用的弹簧，而真正严格的弹簧是在英国科学家胡克提出胡克定律后才出现的。随着我国工业和制造业的迅速发展，我国的弹簧的生产如今已形成一定的规模，不论是弹簧的种类还是性能，都能够满足各行各业的生产需求。弹簧的种类复杂，按照形状分类，主要有螺旋弹簧、板弹簧、涡卷弹簧、波形弹簧、碟形弹簧等。不同形状弹簧有着各自的特点和相应的应用场合。本课题选取波形弹簧为研究对象。波形弹簧是由连续的波峰波谷按照一定的规律延圆周或者直线通过模具冲压或者绕制加工而成的垫圈或垫片式弹簧的总称^[1]。目前市场上的波形弹簧主要是用弹簧钢（65Mn、60SiMnA等）经过特殊的热处理方法后压制成型或者绕制成型，并根据实际情况进行表面处理，制作出来的波形弹簧硬度在HRC44~55之间，具有良好的弹性。波形弹簧两种标准为JB/T 7590-2005和HG/T 2479-2003。但对于使用复合材料制作波形弹簧的研究和使用很少见，考虑到复合材料的轻质高强以及可设计性，使用复合材料波形弹簧是一种理论上可行的方案。波形弹簧主要应用在变形量小和轴向空间较小的场合，如在推土机和装载机的动力换档变速箱中以及换档离合器摩擦片的复位也采用了波形弹簧。波形弹簧的缓冲、补偿、减振、储能等工作效果优于一般弹簧，因此，利用好波形弹簧自身的特点，波形弹簧会有着广阔的应用前景。

1.1.1波形弹簧结构

波形弹簧正是由于其结构特点而得名的，相较于其他的弹簧，它最大的特点是轴向长度小。波形弹簧的结构成轴对称，它的表面呈现出波浪状，一般在圆周方向上均匀分布若干个等大小的类似于正弦波的波峰和波谷。波形弹簧主要有圆截面波形弹簧和线型波形弹簧两种形式。而圆截面波形弹簧主要有三种结构形式如下图1.1^[2]：（1）单层波形弹簧，其中单层的波形弹簧还分为开口型、搭扣型和整体型。整体型在受压时存在一定的束缚，压力过大可能会导致弹簧产生断裂，而开口型和搭扣型会避免断裂问题。（2）并联式波形弹簧，它是由多个单层的波形弹簧叠加而成的，能在保持有效的精度下提供很高的载荷，在许多应用场合能取代蝶形弹簧。（3）串联式波形弹簧，它是多个单层波形弹簧以波峰对波谷的形式连接而成的，连接可以用机械连接也可用胶连接。当其和配件连接时会提供更均匀的力，可以作为普通螺旋弹簧的代替物。

（1）单层波形弹簧 （2）并联式波形弹簧 （3）串联式波形弹簧

图 1.1 波形弹簧的结构

1.1.2波形弹簧特点

波形弹簧和普通的弹簧不同，它有自己的特性线即弹簧受到的载荷 F 与产生的变形 f 之间的关系曲线，特性线有三种类型：渐增型、直线型、渐减型^[3]。如图1.2

图 1.2 波形弹簧载荷—变形曲线特性线

与其他弹簧相比波形弹簧受到载荷时单位体积变形量更大，因此，可以起到缓冲减振作用。波形弹簧的刚度范围大，具有可变刚度的特性，通过改变不同的结构参数以此来改变其刚度，复合材料的可设计性可以更大的发挥这种特性，使波形弹簧有更广的应用。波形弹簧作为承载设备工作时，也可以有效地补偿装置尺寸的变化，会让承载能力变得更强，刚度可精确控制，工作精度高并且变形与负载成严格的比例关系。波形弹簧的轴向尺寸小，结构紧凑，占用的空间较其他弹簧小，易于安装，可以节省弹簧的制作成本。

1.1.3波形弹簧的应用

由于波形弹簧的结构和特点，在各行各业中有着广泛的应用。下面是几种波形弹簧的实际应用：

（1）在机械制造中，波形弹簧技术行业领军的天津的斯迈利科技有限公司制造出了市场上最小的波形弹簧，其尺径小至5mm^[4]。他们将波形弹簧的弹簧高度降低了50%，但与普通螺旋弹簧具有相同的强度和变形量。通过降低弹簧工作高度，波形弹簧也产生弹簧腔的下降。通过减小装置尺寸并减少制造过程中使用的材料，波形弹簧适应紧密径向和轴向空间，从而实现成本的节省。他们制作的波形弹簧广泛用于医疗设备、机器人以及计算机等行业。泄压阀中也有用到波形弹簧。如图1.3，波形弹簧处于泄压阀的中段，弹簧会对顶端密封盘施加一个力，当进入顶部槽的空气所产生的压力超过所需的弹力时，就能使得密封盘脱离密封表面，从而达到利用压力差来减压的目的。

图 1.3 泄压阀

（2）在汽车行业中，波形弹簧可以用在滑动离合器中，如图1.4。波形弹簧能在V型槽中提供恒定的压力，当力矩增大时，V形棘爪将提起并脱离V形槽。当力矩减小时，波形弹簧迫使V形棘爪牢固的压在V形槽中，从而实现再次驱动。如图1.5，制动器中也有用到波形弹簧。波形弹簧作为一种承载装置会提供轴向压力，将其用作预负载止动销时，波形弹簧可为对位于凹槽内的止动销提供一定的负载，由于可以提供较为精确的弹性比率，因此，波形弹簧可以提供准确的负载，以便使整个旋转组件在止动销的作用下能够停止在指定的位置。波形弹簧在汽车级低压连接器中也有应用，如图1.6。当螺体末端随着槽的轮廓旋转进螺帽后，卡口连接器形成耦合。一个双层波形弹簧可在两部分提供预压，在连接器中的双层波形弹簧在非常紧密的轴向以及径向空间中产生了一个较大的负荷值，承担了重要的作用。

图 1.4 离合器 图1.5 制动器 图1.6 低压连接器

（3）在航天领域中^[5]，航天用电器接头也使用到波形弹簧，在该装置中，两个单层波形弹簧被压缩时会向接头施加恒力，起到防松预紧的作用，提供连接的保障。航空用的密封组件中有波形弹簧的应用。密封组件为了保持贴合，需要通过弹性元件等补偿零件提供补偿力，波形弹簧由于自身的特点通常作为补偿零件提供补偿力。

(4) 波形弹簧在浮动齿轮中的应用。如图1.7，齿轮运行在一个含有支架的装置中，轻负荷串联式波形弹簧承载齿轮的轴向运动。在工作的过程中，两个配对齿轮实现自行校准。

图1.7 浮动齿轮 图1.8 旋转装置

（5）波形弹簧在旋转装置的应用^[6]，如图1.8，旋转装置中装用两种波形弹簧：搭扣和串联式波形弹簧，两种弹簧和挡圈的截面形状均为矩形，避免了干扰配套组件的运行的情况，挡圈将受到的作用力进行缓冲并传递到波形弹簧，搭扣波形弹簧受载后通过变形占据间隙，进一步进行减振缓冲，传递到串联式波形弹簧承载，进一步被压缩起到缓冲作用，有效保障轴承间的密封性，防止了液体从高压端流向低压端。

此外，波形弹簧在柱塞泵、传动齿轮箱、机械髋关节等装置中均被广泛的应用。

1.1.4波形弹簧的理论计算

对于弹簧最重要的是利用其弹性特点即胡克定律来工作，但超出弹簧自身的弹性限度，弹簧不再按照胡克定律进行运作。因此，我们需要保持弹簧一定限度，还要探究在正常工作范围内，弹簧的弹性系数的影响因素。对于波形弹簧，结构特殊，并不能简单的套用公式计算，需要应用材料力学的方法来计算^[7]。

如图1.9，波形弹簧的结构参数设定如下：

图 1.9 波形弹簧的结构

设定波形弹簧的内径为d，波形弹簧的外径为D，波数为N，高度为H，厚度为t

则波的宽度，平均直径为

由于厚度远小于弹簧的内外径，故可忽略厚度，波形弹簧的受力如图1.10，理想状况下忽略扭矩对弹簧的影响。由于波形弹簧是按相同的波按照规律交替出现的，故取一个波峰即半个波作为对象进行研究即可。当波形弹簧整体受压时，分解到各个波的变形为弯曲。应用材料力学弯曲变形中的弯曲梁进行载荷-变形进行近似计算，可以将模型简化为简支梁。假设总载荷为P，则每个波峰受到的载荷

图 1.10 波形弹簧一个波峰受力图

由静力学平衡方程

解出A处的支反力，B处的支反力

则左侧弯矩为 （1.1）

右侧弯矩为 （1.2）

对两侧的弯矩方程分别积分后，再由两侧交界处的挠度和转角相等以及边界条件，得到

左侧的挠度方程 （1.3）

右侧的挠度方程 （1.4）

左侧的转角方程为 （1.5）

右侧的转角方程为 （1.6）

取，

最后算出波峰处的挠度为 （1.7）

一个完整的波的变形是半个波挠度的两倍，即计算出一个波在载荷作用下产生的形变

（1.8）

其中L为波形弹簧的半个波长，E为材料的弹性模量，I为波形弹簧矩形截面的惯性矩。根据胡克定律，最后算出波形弹簧的弹性系数

（1.9）

根据理论计算，波形弹簧的弹性系数和弹簧的厚度、波数、内外径、以及宽度有关。

1.2研究背景及意义

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