CC BY
166
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 629.114.2 (076). РАСЧЕТ ПРУЖИН С ПЕРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
1 'КА
С.И. Каратушин , Н.А. Бильдюк2, Ю.А. Плешанова , П.Н. Бокучава
1,3,4Балтийский государственный техническийуниверситет (БГТУ) им. Д. Ф. Устинова
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1;
2Санкт-Петербургский государственныйуниверситет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
Рассматривается метод расчета пружин переменного сечения, формы и шага на основе программы ANSYS Workbench. В качестве примера используется автомобильная пружина подвески. Получена диаграмма нагрузка - деформация для равнонагруженной пружины с переменными параметрами.
Ключевые слова: пружина с переменными параметрами (ППП), диаграмма нагружения, ANSYS Workbench.
THE CALCULATION OF SPRINGS WITH VARIABLE PARAMETERS
S.I. Karatushin, N.A.Bildyuk, Yu.A.Pleshanova, P. N. Bokuchava
Baltic state technical University (BSTU) them. D.P. Ustinov, 190005, St. Petersburg, ul. 1-ya Krasnoarmeyskaya, 1 St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7, lit. A
A method for calculating the spring of variable section, forms and step through the program ANSYS Workbench. For example, use a vehicle suspension spring. Load-deformation diagram for uniform-loaded spring with variable parameters was obtained.
Keywords: spring with variable parameters (SVP), the chart loading, ANSYS Workbench.
В конструкциях современных машин и механизмов используется огромное количество упругих элементов (УЭ) из металлических сплавов. Эти УЭ из сталей перлитного, аусте-нитного и мартенситного классов, Со - Сг - N1 сплавы, титановые, медные и алюминиевые сплавы. Чрезвычайно разнообразны и способы упрочнения, как заготовок, так и готовых изделий. Это - термическая обработка и различные варианты сочетания термической и механической обработок (ТМО). Все разнообразие материалов и технологических мероприятий предназначено для создания УЭ удовлетворяющих требованиям конструктора: при заданной конструкции, габаритах и весе изготовить УЭ с необходимой характеристикой нагружения. Авторам неизвестны работы по расчету пружин с переменными параметрами в программном комплексе ANSYS.
Нестандартные конструкции УЭ применяемые в различных устройствах позволяют решать многие проблемы при разработке новых
машин. Так, применение спиральных пружин переменного диаметра и сечения заготовки в автомобильной подвеске сделало жесткость подвески соответствующей нагрузке при одновременном снижении себестоимости и габаритов узла подвески. Разработки УЭ с переменными параметрами вызывают затруднения в аналитических расчетах таких конструкций. Применение численных методов и компьютерного моделирования, заложенных в программном комплексе инженерного анализа ANSYS, значительно упрощает расчеты и снижает до минимума экспериментальную проверку.
Конструкций УЭ с 1111 достаточно много: это спиральные пружины переменного диаметра, рессоры, торсионы переменного сечения, разнообразные динамометрические УЭ и
др.
В настоящей работе в качестве примера рассматриваются две конструкции спиральных пружин переменного диаметра и сечения заготовки (рис. 1, 2). Сечение заготовки - проволо-
ки может быть круглым, квадратным или прямоугольным, т.е. практически любым. Для проведения расчетов ANSYS создается модель в любой из графических программ. Первоначальные размеры пружины (УЭ) задаются на основе ориентировочного расчета по общепри-нятым методикам [1, 2]. Окончательный расчет в ANSYS может быть как прямым, так обратным, т.е. можно задавать воспринимаемые нагрузки, выбирать материал с необходимыми свойствами и определять размеры. Значительно больший интерес представляет обратная задача: исходя из условий работы устройства, в котором используется УЭ, задается диаграмма нагружения, механические свойства материала (предел упругости, время релаксации, в зависимости от условий эксплуатации - динамический или статический модуль упругости) и далее конструируется форма УЭ.
!
0,11252 Маи
0,10001
0,087512
0,07501
G.Q6J&0S
0,С5С007
0,037505
0,025003
0,01250?
0 Mii>
ческой обработки (закалка с отпуском) применяется дополнительное упрочнение пластической деформацией. Для изделий типа торсио-нов - это обкатка роликом, для спиральных пружин и пластинчатых - обдувка стальной или чугунной дробью. После такого дополнительного упрочнения необходим дополнительный отпуск (старение) с температурой несколько ниже предшествующего отпуска. Упрочнение обычно происходит на глубину 0,5-1 мм. Это упрочнение холодной пластической деформацией поверхности приводит к созданию сжимающих напряжений и, как следствие, повышение усталостной прочности. В результате добавления к напряжениям кручения напряжений от поверхностного упрочнения наибольшие растягивающие напряжения уменьшаются, а наибольшие сжимающие - увеличиваются по абсолютной величине.
Equivalent Stress
Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit: Pa Time: 1
04.03 201319:06
щ 3,1005e9Max]
1.589e9 1.3904e9 1,1918e9 Э.9313e8 7.9451 e8 5,9589e8 3,97 26e8 t,9364e8 I 14645 Min
Рисунок 1. Автомобильная пружина подвески.
Результаты расчетов: а) - интенсивности напряжений, Па; б) - перемещения, мм
Материалы для силовых пружин и динамометров могут быть разные [3, 4]. При выборе материалов для датчиков крутящего момента в ряде случаев целесообразно использовать демпфирующие сплавы [4]. Для многих силовых пружин после окончательной терми-
Рисунок 2. Спиральная симметричная пружина:
а) без нагрузки; б) под нагрузкой
В отличие от цементации поверхностный наклеп создает весьма плавное изменение остаточных напряжений по глубине, отсутствует резкий скачок перехода сжимающих напряжений к растягивающим. Для получения информации о сжимающих напряжениях и соответственно объемных изменений, необходимы
24
нииттс
Расчет пружин с переменными параметрами
экспериментальные данные на плоских образцах - свидетелях. На модели пружины можно задавать упрочненный слой и тем самым в дальнейшем оценивать его влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) всей пружины.
Конструкция рассматриваемых пружин должна удовлетворять одному весьма важному условию: податливая часть пружин при сжатии не должна иметь соприкасающихся витков. Сжатые витки должны вкладываться друг в друга и находиться в одной плоскости. Дальнейшее приложение усилия будет деформировать жесткую часть пружины (рис. 1).
Создание моделей пружин производится в программном пакете КРМПАС-ЗБ у.13. Для моделей пружин с переменным по длине шагом намотки, диметрами витков и диаметрами проволоки (прутка) была написана специальная интегрированная в КОМПАС библиотека, позволяющая автоматизировать этот процесс. Библиотека написана на языке С++ с использованием SDK, предоставляемого вместе с программой КОМПАС 3D. Эта библиотека, используя вводимые пользователем данные о форме пружины, способна генерировать ее модель. Генерируемая модель задается по сечени -ям проволоки (прутка), расположенным через одну восьмую витка. Каждая часть витка идентифицируется двумя диаметрами и радиусом кривизны, который задается в виде диаметра витка и шага. В случаях, когда требуется более точная модель пружины, частоту дискретизации можно увеличить. Таким образом, можно создавать модели спиральных пружин, имеющие переменные по высоте параметры формы с минимальными затратами времени. Созданные модели импортируются в программный пакет ANSYS для проведения исследований их механических характеристик. Принятая методика расчета позволяет корректировать размеры пружин таким образом, чтобы весь объем пружины под нагрузкой имел однородное напряженное состояние. Если какой-либо участок пружины будет находиться в недогруженном или перегруженном состоянии, то этот участок заменяется на модели. Жесткость податливой части пружины можно менять либо толщиной витка, либо его диаметром. О состоянии нагру-женности частей пружины проще всего судить
по эквивалентным напряжениям. Касательные напряжения в витках определяются по величине Shear Stress XY и Shear Stress XZ в поперечном сечении витка, разрезанной вдоль оси всей пружины. Это будут тху и xxz , по которым можно выбирать материал и дальнейшую технологию упрочнения. На рис. 3 представлена диаграмма нагрузки анализированной автомобильной пружины. На графике явно просматриваются три участка при сравнительно однородном напряженном состоянии всех витков пружины.
Нагрузка. КН
Рисунок 3. Диаграмма нагрузки автомобильной пружины
Вывод: разработана методика проектирования равнонагруженной пружины, имеющей переменные параметры, с использование программного комплекса ANSYS, значительно снижающая трудоемкость расчетов по сравнению с традиционной.
Литература
1. Анурьев В.Н. Справочник конструктора машиностроителя в 3-хтомах. Т. 1-3. М., Машиностроение, 2001, -864 с.
2. Лавриненко Ю.А. Беляков Е. Г., Фадеев В.Д. Упрочнение пружин. Уфа, Издательский дом «Бизнес-Партнер», 2002г, -124 с.
3. Рахштадт А.Г., Пружинные стали и сплавы, 3-е изд., перераб. и дополн. М, «Металлургия», 1982 г, -400 с.
4. Фастов Ю.К., Шульга Ю.Н., Рахштадт А.Г., Металловедение высоко демпфирующих сплавов. М., Металлургия, 1980 г, -272 с.
1 Каратушин Станислав Иванович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Детали машин» БГТУ «Военмех» им. Устинова, моб:.+7 (921) 349 40 62, e-mail:karatsi@bk.ru;
2 Билъдюк Николай Алексеевич - старший преподаватель кафедры «Техническа механика» СПбГУСЭ, моб.: +7 (911) 965 08 23, e-mail: tm_06@mail.ru;
3 Плешанова Юлия Андреевна - аспирант кафедры «Детали машин» БГТУ «Военмех» им. Устинова, моб:.+7 (921) 556 68 40, e-mail: jylia_l980@mail.ru;
4 Бокучава Петр Нугзарович - аспирант кафедры Космические аппараты и двигатели» БГТУ «Военмех» им. Устинова, моб:.+7 (961) 809 71 19, e-mail: bokuchava.pn@astronomikon.ru.
