分享：矩形截面扭转弹簧扭矩的预置扭矩检测法

摘 要:矩形截面扭转弹簧的扭矩检测缺乏相应的标准进行规范,导致其检测结果的重复性较 差.通过理论分析和试验验证,发现采用预置扭矩的方法对矩形截面扭转弹簧进行扭矩检测后,检 测结果的重复性明显提高.在对矩形截面扭转弹簧的扭矩检测过程中,在弹性阶段利用预置扭矩 的办法可以改善起测点不稳定的现象,减少或避免扭转弹簧的非稳状态对试验结果的影响. 

关键词:矩形截面扭转弹簧;扭矩检测;预置扭矩;重复性 

中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７５３Ｇ０２ 

矩形截面扭转弹簧(以下称为矩形扭簧)对车辆 起到十分关键的作用.扭簧种类较多,不同扭簧在 生产过程中有不同的加工和热处理工艺,所以对扭 簧制造工艺和成品质量的检验必不可少.由于目前 没有相关的检验标准,扭簧的扭矩检测结果的重复 性较差.扭簧的扭矩检测结果受到检测仪器和检具 的影响,由于扭簧还存在初始效应,起始时扭簧存在 能量转化不稳定阶段,这都会严重影响其扭矩检测 结果.为提高扭簧扭矩检测结果的重复性,笔者提 出预置扭矩检测的设想,根据扭簧设计原理和使用 原则,以某公司生产的矩形扭簧为试验对象,对预置 扭矩的检测方法进行了研究和论证. 

１ 试验材料与试验方法 

１．１ 试验材料 

试验用矩形扭簧的材料为６０Si２Mn弹簧钢,材 料抗拉强度为１５６８MPa,扭簧外径为７６．５mm,有 效圈数为２,弹性模量为２０６GPa,矩形扭簧截面的 长度(a)和宽度(b)分别为１５,８mm.

１．２ 试验方法 

采用 WNJＧ５００型微机控制材料扭转试验机测 试 矩 形 扭 簧 的 瞬 时 扭 矩, 扭 转 速 度 为 ０．５rad??min－１,环境温度为２２ ℃.

２ 理论分析 

２．１ 扭转角度对矩形扭簧瞬时扭矩的影响 该矩形扭簧瞬时扭矩的计算公式为[１]

式中:T′为扭簧的瞬时扭矩;E 为弹性模量;D 为扭 簧的外径;n 为有效圈数.

计算不同扭转角度下矩形扭簧的瞬时扭矩,结 果如表１所示.

由表１可知,当矩形扭簧扭转相同角度(弹性变 化阶段)时,瞬时扭矩的改变量相同,并不受扭簧预 置角度的影响,如图１所示.可见在矩形扭簧稳定 应用的范围内,预置角度的大小对于试验分析各阶 段的数据无影响.

２．２ 最大许用预置角度 

为确保矩形扭簧在检验中不产生塑性变形,需 要在其最大许用扭矩及最大许用角度内进行试验. 其中,最大许用扭矩可由极限扭矩计算得到.极限 扭矩的计算公式为

式中:Tb为矩形扭簧的极限扭矩;σb 为抗拉强度; K′为曲度系数.

式中:C 为旋绕比. 

由于矩形扭簧的最大许用应力为σb 的０．５~ ０．６倍,为确保弹簧在使用中不出现塑性变形,所以 取最大许用应力为０．５σb,该矩形扭簧的最大许用扭 矩(Tmax)的计算公式为

最大许用角度(ψ)的计算公式为

由于扭簧实现稳定应用的扭矩范围是(２０％~ ７０％)Tmax,经过计算得到该矩形扭簧的稳定扭转角 度最大为１０．９°(由１５．６°×７０％得到).由于试验所 需扭转角度为８°,由此得出其最大预置角度不大于 ２．９°(由１０．９°减８°得到,即试验所需扭转角度与稳定 扭转角度的差值).为避免试验时达到极限值,设置 安全系数为０．６,上述计算结果乘以０．６后得到试验 预置角度不大于１．７４°,预置扭矩不大于２９．１N??m.

３ 试验验证 

在扭转角度为８°的条件下,分别在未预置扭矩 和预置扭矩为２０N??m 的情况下对该矩形扭簧的瞬 时扭矩进行测试,发现当未预置扭矩时,矩形扭簧的 瞬时扭矩分别为１２６,１２９,１３４,１２２,１３２N??m,当预 置扭矩为２０N??m 时,矩形扭簧的瞬时扭矩分别为 １３４,１３３,１３３,１３２,１３５ N??m.可 见 预 置 扭 矩 为 ２０N??m时,试验结果较为稳定,重复性明显提高.

４ 结论 

采用预置扭矩的方法对矩形扭簧进行扭矩检测 试验,所得试验结果的重复性明显提高.在对矩形 扭簧的扭矩检测过程中,在弹性阶段利用预置扭矩 的办法可以改善起测点不稳定的现象,减少或避免 扭簧的非稳状态对试验结果的影响.

参考文献: 

[１] 张英会,刘辉航,王德成．弹簧手册[M]．北京:机械工 业出版社,２００８:３９１．

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 11期 (pp:753-754)>