不同幾何參數膜盤聯軸節應力及剛度測試試驗研究

摘" 要：膜盤作為膜盤聯軸節的主要彈性元件，通常由極薄的盤面組成，在工作中處于復雜應力狀態。針對某型傳動系統膜盤聯軸節在不同載荷工況下的應用需求，開展不同幾何參數膜盤聯軸節的應力測試，并對比不同幾何參數膜盤聯軸節的剛度值。膜盤表面應力變化趨勢分析表明，扭矩對膜盤表面應力影響最大，且膜盤容易發生屈曲變形，選擇合適的扭矩加載方式對試驗測量至關重要。雙曲線型面膜盤扭轉剛度最大，抗扭轉能力強，不易發生失穩變形，更適合用于傳動系統柔性連接裝置。

關鍵詞：不同參數;膜盤聯軸節;應力;剛度;扭矩

中圖分類號：V232.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0080-04

Abstract： Diaphragm， as the main elastic element of diaphragm coupling， is usually composed of extremely thin disk surface and always in complex stress state during operation. According to the application requirements of diaphragm coupling in a certain transmission system under different load conditions， the stress test of the diaphragm coupling with different geometric parameters was carried out， and the stiffness values of the diaphragm coupling with different geometric parameters were compared. The results show that the torque has the greatest influence on the surface stress of the membrane disk， and the membrane disk is phone to buckling deformation. It is very important to choose the appropriate torque loading method for the test results. The hyperbolic face plate coupling has the strongest torsion stiffness， strong resistance to rotation and instable deformation， so it is more suitable for flexible connecting device of transmission system.

Keywords： different parameters; diaphragm coupling; stress; stiffness; torque

聯軸節是直升機傳動系統中主要柔性連接裝置[1-2]，其功能是用于傳遞轉速、扭矩、補償聯接角向、徑向偏差和軸向不對中。在實際飛行中，聯軸節因機身受載變形和聯接部件之間安裝同軸度誤差等因素影響，承載復雜，對其開展應力及剛度試驗研究十分必要。

聯軸節主要包括疊片聯軸節、膜盤片聯軸節和膜盤聯軸節，膜盤聯軸節為整體精密鑄造而成的實體盤形結構，常與法蘭盤焊接成一體，通過法蘭盤螺栓與傳動軸聯接。膜盤聯軸節組件主要包括1個膜盤、2個聯接法蘭，其承受的載荷主要有扭轉載荷、軸向拉伸和角向偏移，膜盤聯軸節盤面薄，工作時復雜應力狀態復雜。

本文針對3種型面（等厚型面、梯形型面、雙曲線型面）膜盤聯軸節組件進行試驗研究，等厚型面、梯形型面、雙曲線型面的型面厚度分別為0.5、0.4、0.4 mm，型面比分別為0.5、0.4、0.4，其中型面比為最厚處直徑與最薄處直徑的比值，材料均為TC4。對不同參數膜盤聯軸節在不同載荷工況下的應力及剛度進行測試，結合試驗數據分析，對試驗方案進行了針對性改進。根據2輪試驗的結果及試驗數據分析，確定了膜盤應力及剛度測試試驗過程中的注意事項，獲取了3種型面膜盤的剛度及應力變化趨勢，為后續的膜盤設計提供了試驗依據。

計算結果與試驗結果均表明，最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤聯軸節扭轉剛度最大，最小起皺扭矩大，穩定性好，更適合在傳動系統中推廣應用。

1" 試驗方案

某型直升機傳動系統膜盤聯軸節應力及剛度測試試驗加載方案如圖1所示。固定膜盤聯軸節一端法蘭，通過加載盤對膜盤聯軸節施加扭矩、軸向偏移和角向偏移，用力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器進行載荷控制。F1、F2為一對大小相等、方向相反的力偶，用來施加扭矩，F3施加軸向載荷，F4施加彎曲載荷。試驗按照表1中載荷進行施加，共包括以下幾個試驗項目：扭轉剛度測試、軸向剛度測試、彎曲剛度測試、扭轉載荷+軸向載荷組合變形試驗、扭轉載荷+角向偏移載荷組合變形試驗、扭轉載荷+軸向載荷+角向偏移載荷組合變形試驗。

2" 試驗過程及問題處理

試驗共分為2輪，第一輪試驗為摸底試驗，采用鋼制結構膜盤進行測試，因載荷小，加載簡單，故采用手動加載所有試驗載荷。試驗步驟如下。

2.1" 應變計粘貼

膜盤表面應力復雜，各界面的應力水平均有差異，要想得到膜盤全部型面的應變，需要粘貼的應變計數量較多，考慮膜盤本身尺寸小，應變計粘貼困難，選擇圖2所示A1～A8共8處位置粘貼0°、45°、90°的應變花，可以獲得該位置的應力值，3種型面膜盤的貼片位置貼片方式均一致，膜盤兩面應變計粘貼成鏡像對稱。

2.2" 不同載荷應力及剛度測試

按照圖3所示方式進行安裝測量，9個位移傳感器測量得到的位移數據經過換算可以得到相應的轉角值、偏角值等。

圖3中用扭矩傳感器測量扭矩載荷，引伸測量桿與試驗件加載端法蘭邊處聯接，用于測量試驗件扭轉角度，通過計算得到試驗件兩端相對轉角的變化量Δφ。

Δφ=arctan（），

式中：Δφ為引伸測量桿測量端面（加載盤處）轉角;D1、D2分別為位移傳感器1、位移傳感器2對應的測量位移;L1為引伸測量桿上2個測點之間的距離。

其中，F1、F2施加膜盤聯軸器扭矩，加載力臂為150 mm;F3施加膜盤聯軸器軸向偏移，通過位移傳感器3控制D3來實現; F4施加膜盤聯軸器的角向偏移，加載位置與膜盤中心的水平距離H=164.5 mm，根據F4方向的位移與膜盤的角向偏移的關系

φ=arctan（D4/H），

式中：D4為載荷F4方向的位移。

通過控制F4的位移，可實現膜盤的角向偏移。

位移傳感器5、位移傳感器6測量點選擇在膜盤表面靠近邊緣處，且對稱分布，起到測量膜盤角向偏轉角度的作用。

θ=arctan（），

式中：θ為膜盤型面偏轉角度;D5、D6分別為位移傳感器5、位移傳感器6對應的測量位移;L56為位移傳感器5、6對應的兩個測點之間的距離。

2.3" 試驗結果及問題處理

第一輪試驗在扭轉剛度測量得到的應變曲線，變化散亂無線性，重復性差。原因分析：扭轉剛度測試試驗過程中，采用手動加載，由于兩邊加載無法保證同步性，產生的位移不一致，使膜盤產生翹曲變形，膜盤表面應變數據發生突變。

查明原因后對試驗方案進行改進，在扭矩加載桿（F1、F2）兩端設置2組位移傳感器進行監測，加載時保證兩端位移變化一致。試驗得到的應變結果重復性及線性度較好，由此可知，控制扭矩加載力的對稱性，能有效避免膜盤在加載時產生的翹曲變形。考慮在第二輪試驗中扭矩采用油缸加載，進一步同步控制F1、F2的位移，避免膜盤產生翹曲。

3" 改進試驗后及不同型面膜盤對比

針對第一輪試驗遇到的問題，對第二輪試驗進行改進，同時選取3種型面的膜盤進行對比試驗，對膜盤剛度、應力情況進行對比分析，進而得到哪種膜盤更適合在傳動系統中推廣應用。

3.1" 應變計粘貼改進

第一輪試驗中應變片粘貼在軸線位置上，難以反映復雜工況下膜盤表面的應力分布，本輪試驗對應變計粘貼位置進行了調整，以獲取更多的應變數據。調整后的位置如圖4所示，膜盤兩面應變計粘貼成中心對稱。

3.2" 加載方法及測量法方法改進

本輪試驗采用直線油缸對各載荷進行加載，保證載荷F1、F2能夠同時施加，使扭矩載荷正確實施，避免膜盤出現嚴重的翹曲變形。將位移傳感器安裝在引申測量桿1、2的上表面和側表面上，共8個，可以有效測量出膜盤各個方向的變形位移。

3.3" 不同型面膜盤應力及剛度對比

針對3種膜盤聯軸節分別在扭轉、軸向、彎曲剛度下的應力分布，可以得到：等厚型面膜盤聯軸節和梯形型面膜盤聯軸節膜盤型面應變分布趨勢一致，其中扭轉剛度與彎曲剛度應變數據變化呈對稱線性關系，軸向剛度試驗時，靠近膜盤中心處的應變最大。靠近邊緣處應變次之，膜盤中心與邊緣之間位置應變最小。雙曲線型面膜盤聯軸節在扭轉剛度試驗時應變數值遠小于其他2種型面膜盤，在軸向剛度試驗測試中，靠近膜盤中心處應變最大，且隨著與中心距離的增大，應變逐漸變小。

考慮到扭矩沖擊等因素，膜盤的扭轉剛度越小，則膜盤緩沖吸振的能力越好，但是膜盤的扭轉剛度值若太小，則在工作扭矩作用下膜盤表面可能會出現局部失穩現象，如圖5所示。

表2中仿真數據顯示，在最薄處厚度（0.9 mm）和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤扭轉剛度是梯形型面膜盤的1.38倍，最小起皺扭矩為梯形型面膜盤的3.5倍，應力水平只有梯形型面膜盤的一半，穩定性最好。本次試驗中在最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤扭轉剛度是梯形型面膜盤的1.39倍，與計算結果一致。本次試驗選取的扭矩載荷為1 200 Nm，小于仿真分析得到的膜盤的最小起皺扭矩，符合試驗加載要求。

在發動機中，與膜盤聯軸節聯接的動力渦輪軸及減速器部件傳動鏈中的彈性軸等零件具有較小的扭轉剛度，有很好的緩沖吸振能力，因此膜盤扭轉剛度設計時需要優先考慮防止其盤面起皺失穩。

3.4" 綜合載荷工況下的應力變化趨勢

在組合變形試驗中測得的應變數據如圖6所示。3種膜盤應變變化趨勢接近，膜盤表面應力分布復雜。從圖6中可知扭矩載荷對膜盤表面應變影響最大，其次為角向偏移載荷，軸向載荷對膜盤應變影響最小。

4" 結論

針對不同幾何參數膜盤聯軸節在不同載荷工況下的測試試驗，得到了3種型面膜盤的剛度和應變分布規律，其中在結構尺寸相同，最薄處厚度和型面比相同條件下，雙曲線型面膜盤聯軸節扭轉剛度最大，最小起皺扭矩大，穩定性好，更適合在傳動系統中推廣應用。在綜合工況下，膜盤表面應力分布復雜，傳統的粘貼應變片測量方式難以適用，后續試驗研究可選用應變光測技術如光彈性試驗、激光全息攝影法、電子散斑干涉法等，提高應變測量精度。

參考文獻：

[1] 胡柏安.帶膜盤聯軸節的動力傳動軸的動力特性[J].機械強度，2009，31（2）：195-198.

[2] 張凌楓.膜片式彈性聯軸節在機械傳動中的應用[J].機械設計與研究，1994（3）：42-43，20.