突跳式溫控器用片彈簧優(yōu)化設(shè)計方法的研究.pdf

1、突跳式溫控器是實現(xiàn)對溫度進行控制的開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于飲水機、電飯鍋、微波爐、電烤箱等家用電器，其可靠性直接影響到整個電器的工作性能和產(chǎn)品檔次。目前，國內(nèi)溫控器產(chǎn)品的壽命普遍在十萬次左右，與國外二十萬次相比具有較大差距。為提升我國家電產(chǎn)品的市場競爭力，亟需提高國產(chǎn)突跳式溫控器的可靠性水平。
　　對于突跳式溫控器這種開關(guān)元件，接觸失效是最常見的失效形式之一，約占總失效數(shù)的80％。觸頭彈跳是開關(guān)元件普遍存在的現(xiàn)象，是引起接觸失效的主要

2、原因，它造成觸頭機械磨損、引燃電弧、加劇觸頭電氣磨損和材料侵蝕，情況嚴重時，會使觸頭粘接在一起，將嚴重降低突跳式溫控器的使用壽命和可靠性水平。因此，研究突跳式溫控器的觸頭彈跳現(xiàn)象，分析其主要影響因素，可為抑制觸頭彈跳，評判片彈簧優(yōu)化設(shè)計的效果提供依據(jù)。
　　片彈簧是保證突跳式溫控器正常工作的關(guān)鍵元件之一，其機械特性參數(shù)對突跳式溫控器的操作性能和觸頭的彈跳性能都有較大影響。目前，在對片彈簧的機械特性進行求解時，國內(nèi)外學者多采用基于小

3、變形理論的計算方法，忽略片彈簧屬于薄壁元件，在彎曲變形過程中出現(xiàn)幾何非線性問題的特點，因此得到的求解結(jié)果并不符合片彈簧的實際情況。本文利用幾何非線性有限單元法對片彈簧的機械特性進行計算，在此基礎(chǔ)上，對片彈簧進行優(yōu)化設(shè)計，從而改善觸頭的動態(tài)彈跳性能，這對提高突跳式溫控器的可靠性水平具有實際意義。
　　本文以KSD301型突跳式溫控器為研究對象，首先研究其觸頭彈跳現(xiàn)象，并分析片彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸對觸頭彈跳的影響情況，然后對其片彈簧的機械特

4、性進行計算，最后以片彈簧的預(yù)壓力在滿足約束范圍時取最大值為目標，研究片彈簧結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計方法，主要研究內(nèi)容如下:
　　第一章，闡述了論文的研究背景和意義，綜述了觸頭彈跳現(xiàn)象的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，概述了當前電接觸裝置中片彈簧機械特性的數(shù)值求解計算方法及存在的問題，最后給出了論文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，首先簡要介紹了突跳式溫控器的結(jié)構(gòu)、主要組成元件和動作原理，然后建立了用于分析觸頭彈跳的剛-柔耦合仿真模型，得到觸頭彈跳時的

5、速度、位移曲線和動靜觸頭間的接觸力。最后，為對比說明仿真模型的準確程度，利用激光位移測試方法對突跳式溫控器觸頭彈跳時的位移進行了測試驗證。結(jié)果表明仿真模型具有足夠的精度。
　　第三章，以觸頭的彈跳參數(shù)為指標，以片彈簧的主要結(jié)構(gòu)尺寸為因素，利用正交試驗法和方差分析，研究了片彈簧的各主要結(jié)構(gòu)尺寸對觸頭彈跳的影響。
　　第四章，利用幾何非線性有限單元法對片彈簧的機械特性進行分析計算，求得片彈簧的受力變形曲線;通過對片彈簧進行實物測

6、試得到的試驗結(jié)果和基于小變形理論的求解結(jié)果，驗證了幾何非線性有限單元法在計算片彈簧機械特性上的可行性和準確性，為片彈簧的優(yōu)化設(shè)計提供了理論計算方法。
　　第五章，首先利用幾何非線性有限單元法對片彈簧的預(yù)壓力、剛度和最大應(yīng)力等力學特性參數(shù)進行求解，然后，建立以片彈簧的預(yù)壓力為目標函數(shù)，以剛度、最大應(yīng)力和尺寸約束為約束條件的優(yōu)化模型，利用MATLAB軟件中的fmincon優(yōu)化函數(shù)對片彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化。最后通過仿真方法對比了優(yōu)化設(shè)