CN103076122A - 螺旋弹簧表面主应力测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋弹簧表面主应力测量方法，包括如下步骤：（1）以圆柱螺旋弹簧作为被加载试件，在圆柱螺旋弹簧中间段的表面粘贴一组45°直角应变花；（2）通过电路连接应变采集装置，利用加载装置进行加载检测，记录不同载荷及所对应的应变值；在与应变采集装置连接的计算机上显示结果，在达到最大载荷后卸载。本发明为精确测量不同加工工艺制造的压缩弹簧表面残余主应力和方向提供一套简单快捷方便的测量方法，使测量的弹簧表面残余应力的精度得到提高，对研究弹簧疲劳性能有重要意义。本发明还同时提供了一种螺旋弹簧表面主应力测量装置。

Description

螺旋弹簧表面主应力测量方法与装置

技术领域

本发明属于弹簧制造领域，具体涉及一种螺旋弹簧表面主应力测量方法与装置。

背景技术

在各种螺旋弹簧中以压缩弹簧的应用最为广泛，特别是在汽车工业中，如气门弹簧、喷油嘴弹簧及各种悬架弹簧等都非常重要，服役中主要承受交变扭转和交变剪切载荷，其次为冲击以及侧向弯曲载荷等。材料内部存在的残余应力对材料力学性能、抗腐蚀性能、尺寸稳定性、使用寿命等有重要影响。在冷卷成形工艺中，弹簧钢丝受塑性变形，卸载后由于回弹钢丝外侧产生残余压应力，内侧产生残余拉应力。为获得疲劳品质优良的弹簧，一般对其进行可引入残余压应力的加工工艺，如喷丸强化、回火等处理。弹簧经过不同工艺加工后，其表面产生的弹坑大小不一，表面粗糙度也不一样。

残余应力的测量可以用X射线衍射法、磁性应力测定法、应力松弛法等。X射线衍射法是利用Brag法则，测量衍射角的变化量，由应力作用下晶面间距变化率计算表面应力，但由于射线照射的限制、昂贵的测试系统以及准确度较低限制了其在弹簧测量中的应用。磁性测定法是基于铁磁性材料在应力作用下导磁率发生变化的原理，利用高导磁材料作为铁芯有激磁线圈的应力传感器和被测试件紧密接触并构成完整的磁路，试件表层应力通过对应导磁率的变化由传感器输出应力的电信号，但在实际操作中存在很多影响精度的因素，导致测量结果产生较大偏差。应力松弛法是利用电阻应变片粘贴在被测点，用机械加工方法去除其附近部分材料，由于约束因素的消除，残余应力得到不同程度的释放，由测得的应变变化确定构件的残余应力，但此方法属于破坏性测量方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种螺旋弹簧表面主应力测量方法，该螺旋弹簧表面主应力测量方法方便快捷，测量精度高；本发明还同时提供了一种螺旋弹簧表面主应力测量装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种螺旋弹簧表面主应力测量方法，包括如下步骤：

（1）以圆柱螺旋弹簧作为被加载试件，在圆柱螺旋弹簧中间段的表面粘贴一组45°直角应变花；

（2）通过电路连接应变采集装置，利用加载装置进行加载检测，记录不同载荷及所对应的应变值；在与应变采集装置连接的计算机上显示结果，在达到最大载荷后卸载。

本发明还同时提供了一种螺旋弹簧表面主应力测量装置，包括检测台、加载装置、力&应变综合参数仪、计算机和45°直角应变花；螺旋弹簧通过加载装置固定在检测台上，45°直角应变花粘贴在螺旋弹簧表面；加载装置用于对螺旋弹簧实施加载，并与力&应变综合参数仪相连，用于将力信号传递到力&应变综合参数仪；45°直角应变花与力&应变综合参数仪相连，用于将接收到的应变信号传递到力&应变综合参数仪；计算机与力&应变综合参数仪相连，用于接收力&应变综合参数仪反馈的力信号及应变信号并进行处理。

本发明的有益效果为：

螺旋弹簧广泛应用于机械工程中，服役时在外施载荷下主要承受交变扭转和交变剪切载荷。最大主应力是用来描述结构的实际受力情况，其大小决定了结构是否出现断裂和受剪切破坏。本发明为精确测量不同加工工艺制造的压缩弹簧表面残余主应力和方向提供一套简单快捷方便的测量方法和装置，使测量的弹簧表面残余应力的精度得到提高，对研究弹簧疲劳性能有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述螺旋弹簧表面主应力测量装置的示意图；

图2为半臂单桥连接原理图；

图3为45°直角应变花的示意图；

图中：1-加载装置；2-力&应变综合参数仪；3-计算机；4-圆柱螺旋弹簧；5-45°直角应变花。

具体实施方式

下面以附图为实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明提供的螺旋弹簧表面主应力测量装置包括检测台、加载装置1、力&应变综合参数仪2、计算机3和45°直角应变花5。圆柱螺旋弹簧4通过加载装置1含有的固定装置固定在检测台，螺旋弹簧4表面贴有一组45°直角应变花5；加载装置1可以对圆柱螺旋弹簧4实施加载，并与力&应变综合参数仪2相连，将力信号传递到力&应变综合参数仪2；45°直角应变花5与力&应变综合参数仪2相连，将接收到的应变信号传递到力&应变综合参数仪2；计算机3与力&应变综合参数仪2相连，接收力&应变综合参数仪2反馈的力信号及应变信号并进行处理。

本发明提供的一种螺旋弹簧表面主应力测量方法，包括如下步骤：

（1）以圆柱螺旋弹簧4作为被加载试件，在圆柱螺旋弹簧4中间段的表面粘贴一组45°直角应变花；

具体包括：

1.1选取圆柱螺旋弹簧4作为测量对象；

1.2测量其几何参数，计算抗弯截面模量和抗扭截面模量；螺旋弹簧4在轴向外载P作用下，弹簧任意横截面上的扭矩和弯矩引起的剪应力和正应力分别为：

$\mathrm{\τ}=\frac{T}{W_T}---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{W_M}---\left(2\right)$

其中，扭矩T为 $T=\frac{1}{2}\mathrm{PD}\cos \mathrm{\α}---\left(3\right)$

弯矩M为 $M=\frac{1}{2}\mathrm{PD}\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

抗弯截面模量 $W_M=\frac{1}{16}{\mathrm{\πd}}^3---\left(5\right)$

抗扭截面模量 $W_T=\frac{1}{32}{\mathrm{\πd}}^3---\left(6\right)$

其中D、α、d分别为弹簧直径、螺旋角和钢丝直径。

1.3在圆柱螺旋弹簧4中间段的表面粘贴一组45°直角应变花5，按半桥单臂、公共温度补偿法组成测量线路（如图2所示）；其中半桥单臂测量又称1/4桥，电桥中只有一个桥臂接工作应变片（常用AB桥臂），而另一桥臂接温度补偿片（常用BC桥臂），CD和DA桥臂接应变仪内标准电阻。考虑温度引起的电阻变化，可得到应变仪的读数应变为：

ε_d=ε₁+ε_1t-ε_2t    （7）

由于R1和R2温度条件完全相同，因此

所以电桥的输出电压只与工作片引起的电阻变化有关，与温度变化无关，即应变仪的读数为

ε_d=ε₁    （8）

（2）通过电路连接应变采集装置，利用加载装置进行加载检测，记录不同载荷及所对应的应变值；在与应变采集装置连接的计算机上显示结果，在达到最大载荷后卸载。

具体包括：

2.1利用加载装置1将其固定于检测台后进行加载检测，分4-6级加载，记录不同时刻各点应变片的应变值，输入计算机3，直到加至最大载荷后卸载；

应变花上三个应变片的角度分别为-45°、0°、45°（如图3所示），该点主应变和主方向

主应力和主方向

因此，对于结构稳定的螺旋弹簧4，在不同载荷P作用下，利用公式可计算出其表面残余应力主应力及其方向。

2.2利用X射线法测量该点的表面残余应力，计算出主应力及其方向；

利用公式计算出不同载荷下所对应的理论应力值，由二向应力状态分析可得到主应力及其方向：

${\mathrm{\σ}}_1,{\mathrm{\σ}}_3=\frac{\mathrm{\σ}}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)}^2+{\mathrm{\τ}}^2}---\left(13\right)$

$\tan {2\mathrm{\α}}_0=\frac{-2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\σ}}---\left(14\right)$

2.3比较两种结果，给出检测误差。

下面以汽车用发动机气门弹簧作为实施例，其材料为SWOSC-V钢丝，d=4mm，D=28mm，α=5°。

主应力检测结果如下表：

从表中可以看出，最大相对误差为5.7%，相对误差均小于10%，说明检测结果是真实可靠的。

Claims (2)

1.一种螺旋弹簧表面主应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）以圆柱螺旋弹簧作为被加载试件，在圆柱螺旋弹簧中间段的表面粘贴一组45°直角应变花；

（2）通过电路连接应变采集装置，利用加载装置进行加载检测，记录不同载荷及所对应的应变值；在与应变采集装置连接的计算机上显示结果，在达到最大载荷后卸载。

2.一种螺旋弹簧表面主应力测量装置，其特征在于，包括检测台、加载装置、力&应变综合参数仪、计算机和45°直角应变花；螺旋弹簧通过加载装置固定在检测台上，45°直角应变花粘贴在螺旋弹簧表面；加载装置用于对螺旋弹簧实施加载，并与力&应变综合参数仪相连，用于将力信号传递到力&应变综合参数仪；45°直角应变花与力&应变综合参数仪相连，用于将接收到的应变信号传递到力&应变综合参数仪；计算机与力&应变综合参数仪相连，用于接收力&应变综合参数仪反馈的力信号及应变信号并进行处理。

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