CN1320346C - 压缩弹簧正应力和剪应力实验测量方法 - Google Patents

压缩弹簧正应力和剪应力实验测量方法 Download PDF

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Abstract

一种压缩弹簧正应力和剪应力实验测量方法，涉及一种压缩弹簧应力测量方法，特别是涉及组合变形中单一应力测量方法。该方法的被加载试件为圆柱螺旋弹簧，在圆柱螺旋弹簧中间段的上下面与簧丝轴线成±45°方向各粘贴两个电阻应变片，实验时分两次进行，第一次按电阻应变片第一个至电阻应变片第四个的顺序依次接入惠斯顿电桥桥臂，第二次将电阻应变片第二个和第三个桥臂顺序对调，利用电子万能试验机进行压缩实验，记录下不同时刻的载荷，用应变仪记录下不同时刻的应变值，二者输入计算机，直至达到最大载荷后卸载。实验测量方法简单、操作容易，具有工程应用背景，而且对于测量不同组合变形时单一应力值具有一定的启示意义。

Description

压缩弹簧正应力和剪应力实验测量方法
技术领域
本发明涉及一种压缩弹簧应力测量方法，特别是涉及一种测量受压弹簧正应力和剪应力的实验方法。
背景技术
弹簧是一种得到广泛应用的机械零件，其种类繁多，除常见的普通圆柱螺旋弹簧外，还包括板簧、片簧、碟形弹簧等等。它是利用材料的弹性和结构的特点，在工作时产生变形，把机械能转变为变形能，反之，把变形能转变为机械能或动能。弹簧在使用过程中，主要起承压减振作用，对于普通的圆柱螺旋弹簧，由于具有螺旋结构，在轴向载荷的作用下，要同时产生正应力和切向应力。
目前在弹簧使用和设计过程中，主要是根据弹簧要承受的最大机械载荷，以及簧丝材料本身的拉压强度和剪切强度，根据材料力学知识进行相关理论计算，然后定出弹簧直径等几何参数。但由于其计算公式是完全建立在材料力学理论基础上得到的，计算过程中并没有考虑压缩过程中弹簧外径的增大、螺距减小导致的螺旋角的改变，以及其他一些因素对应力分布可能产生的影响。因此，该计算结果是存在一定的误差的。为此，目前工程应用中一般采取在计算结果基础上乘以一大于1的安全系数。这对于一些普通应用场合问题不大，但对于一些精密器件中使用的承载弹簧，从既保证安全又考虑结构小型化角度考虑，还是应对其正应力、切应力进行实际测量，给出实际值和计算值之间存在的误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
设计一套压缩弹簧承载时正应力和剪应力的测量系统。
选用工程实际中得到广泛应用的圆柱螺旋弹簧作为对象，通过设计贴片位置和惠斯顿电桥采用不同的桥臂接法，利用电子万能试验机进行压缩实验，分别得到不同压缩载荷作用下圆柱螺旋弹簧的正应力和切应力值。
本发明的技术方案：
一种压缩弹簧组合变形单一应力测量方法，其特征在于：被加载试件为圆柱螺旋弹簧，在圆柱螺旋弹簧中间段的上下面与簧丝轴线成±45°方向各粘贴两个电阻应变片，其中第一电阻应变片和第二电阻应变片粘贴在所述上表面，第三电阻应变片和第四电阻应变片粘贴在所述下表面，实验时分两次进行，第一次按第一电阻应变片至第四电阻应变片顺序依次接入惠斯顿电桥桥臂，第二次将第二电阻应变片和第三电阻应变片桥臂顺序对调，上述两次实验均利用电子万能试验机进行压缩实验，记录下不同时刻的载荷，用应变仪记录下不同时刻的应变值，二者输入计算机，直至达到最大载荷后卸载。
本发明的有益效果：
压缩弹簧是机械工程中大量使用的减振承载件，压缩载荷作用下其发生弯扭组合变形，结构内同时存在正应力和切应力。本发明为精确标定不同载荷作用下其正应力、切应力值提供一套方便简单测量系统，这对工程应用具有重要意义。
附图说明
图1实验测试装置示意图。
图2圆柱螺旋弹簧结构示意图。
具体实施方式
以附图为实施方式对本发明作进一步说明：
如附图2所示，螺旋弹簧在轴向压力P作用下，弹簧丝横截面上的扭矩M扭和弯矩M弯分别为：
Figure C20051001154500041
Figure C20051001154500042
其中D和α分别为弹簧直径和螺旋角。其扭矩和弯矩引起的剪应力τ理和正应力σ理分别为：
Figure C20051001154500043
Figure C20051001154500044
其中Wt、W和d分别为抗扭截面系数、抗弯截面系数和弹簧的簧丝直径。因此，对于尺寸结构确定的螺旋弹簧，在不同压缩载荷P作用下，利用公式(1)可计算出剪应力和正应力的理论值。
为了对圆柱螺旋弹簧在压缩载荷作用下扭矩和弯矩引起的剪应力和正应力进行实际测量，如图1所示，设计了以下实验方案：在圆柱螺旋弹簧中间段的上下面与簧丝轴线成±45°方向各粘贴两个电阻应变片，电阻应变片1、2粘贴在上表面，电阻应变片3、4粘贴在下表面。通过标准材料试验机加载，载荷值转换成应力后传递给计算机，应变值由应变仪记录传递给计算机。根据圆柱螺旋弹簧弯扭组合变形的特点，四个应变片的输出值为：
ε1＝ε弯+ε扭  ε2＝ε弯-ε扭  ε3＝-ε弯+ε扭  ε4＝-ε弯-ε扭     (5)
实验时先将4个应变片按1、2、3、4顺序依次接入惠斯顿电桥的4个桥臂，再将2、3应变片对调。根据电桥原理，两次实验应变仪上的读数ε读依次为：
ε1读＝ε1-ε2+ε3-ε4          (6)
ε2读＝ε1+ε2-ε3-ε4          (7)
将(5)式分别代入(6)、(7)式得：
ε1读＝4ε扭                    (8)
ε2读＝4ε弯                    (9)
则：
其中G和E分别是材料的剪切模量和杨氏模量。
利用上述实验方案，即可得到圆柱螺旋弹簧在压缩载荷作用下其侧面的剪应力和正应力实验值，再与公式(3)、(4)的理论计算值相比较，给出实验误差。
该实验操作的基本步骤包括：
①选取圆柱螺旋弹簧作为对象；
②量取其几何参数，包括弹簧直径、簧丝直径和螺旋角等参数，计算其扭截面系数和抗弯截面系数；
③在圆柱螺旋弹簧中间段的上下面与簧丝轴线成±45°方向各粘贴两个电阻应变片，其中电阻应变片1、2粘贴在上表面，电阻应变片3、4粘贴在下表面，焊线，依次接入惠斯顿电桥的四个桥臂；
④利用标准电子万能试验机进行压缩实验，记录下不同时刻的载荷，用应变仪记录下不同时刻的应变值，二者输入计算机，直至最大载荷达到20KN，卸载；
⑤利用公式(1)、(3)计算出不同载荷所对应的理论剪应力值，再利用公式(5)、(6)、(8)、(10)计算得到不同载荷所对应的实际剪应力值，二者比较，给出实验误差。
⑥将电阻应变片2、3对调，重复上述实验步骤④；
⑦利用公式(2)、(4)计算出不同载荷所对应的理论正应力值，再利用公式(5)、(7)、(9)、(11)计算得到不同载荷所对应的实际正应力值，二者比较，给出实验误差。
以试件材料为弹簧钢，D＝145.5mm，d＝26.6mm，α＝6°，E＝200GPa，G＝77GPa的试件为例压缩剪应力实验结果如下表：
当螺旋角α＜10°，由于sinα≈0，压缩载荷作用下产生的弯曲正应力值很小，工程使用中一般忽略其影响。该实验中螺旋角α＝6°，故上表中只给出了扭转剪切应力的实验结果。从表中可以看出，最大相对误差为12.2％，绝大多数相对误差在10％以内，说明实验结果是真实可靠的。

Claims (1)

1.一种压缩弹簧组合变形单一应力测量方法，其特征在于：被加载试件为圆柱螺旋弹簧，在圆柱螺旋弹簧中间段的上下面与簧丝轴线成±45°方向各粘贴两个电阻应变片，其中第一电阻应变片和第二电阻应变片粘贴在所述上表面，第三电阻应变片和第四电阻应变片粘贴在所述下表面，实验时分两次进行，第一次按第一电阻应变片至第四电阻应变片顺序依次接入惠斯顿电桥桥臂，第二次将第二电阻应变片和第三电阻应变片桥臂顺序对调，上述两次实验均利用电子万能试验机进行压缩实验，记录下不同时刻的载荷，用应变仪记录下不同时刻的应变值，二者输入计算机，直至达到最大载荷后卸载。
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