倪林森

(上海中國彈簧制造有限公司，上海 201901)

螺旋彈簧作為緩沖儲能零件廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如汽車懸架系統(tǒng)的螺旋彈簧，其與減振器配合使用，起到支撐車身與吸收路面沖擊的作用[1]。

螺旋彈簧的疲勞壽命對其所在系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)健性有著重要影響。螺旋彈簧在受載狀態(tài)下主要承受剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，應(yīng)力大小決定了其材料的選擇以及疲勞壽命[2-3]。近年來，隨著輕量化設(shè)計(jì)概念的推廣，螺旋彈簧可承受應(yīng)力顯著提高[4]，精確獲取螺旋彈簧受載時的應(yīng)力大小成為設(shè)計(jì)中至為重要的一環(huán)。

螺旋彈簧受載應(yīng)力數(shù)據(jù)可通過計(jì)算機(jī)模擬仿真與傳感器測試的方法獲取。計(jì)算機(jī)模擬仿真基于有限元方法計(jì)算獲取彈簧受載時的應(yīng)力[5-6]，該方法雖能全面地獲取應(yīng)力，但由于仿真過程中進(jìn)行了一定的簡化，所以計(jì)算應(yīng)力可能與實(shí)際存在差別，仍需后續(xù)傳感器測試來確認(rèn)數(shù)據(jù)。傳感器測試主要通過將電阻、壓電陶瓷、光纖光柵應(yīng)變傳感器黏貼在測試物表面，經(jīng)信號數(shù)據(jù)處理后獲得測試應(yīng)變與應(yīng)力[7-8]。傳感器測試方法雖能準(zhǔn)確得到測試位置的應(yīng)變與應(yīng)力，但無法全面獲取測試物各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其在測試前需判斷測試位置，易忽略關(guān)鍵點(diǎn)處的數(shù)據(jù)。

文章提出一種基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的螺旋彈簧應(yīng)力檢測裝置。該裝置借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)獲取螺旋彈簧受載后的幾何形狀，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)分析理論，計(jì)算出螺旋彈簧各位置的應(yīng)力值。該檢測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便快速、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，無需在螺旋彈簧表面加裝傳感器，即可實(shí)現(xiàn)螺旋彈簧無損快速檢測的目的。螺旋彈簧在汽車懸架系統(tǒng)中的裝配位置如圖1所示。

圖1 螺旋彈簧在汽車懸架系統(tǒng)中的裝配位置示意

1 模型簡介

螺旋彈簧應(yīng)力檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要包括一臺六分力測力機(jī)、轉(zhuǎn)盤、3D掃描儀以及定位盤。

六分力測力機(jī)用于檢測載荷的大小、方向以及力的作用點(diǎn)；定位盤用于裝配定位測試彈簧；轉(zhuǎn)盤與3D掃描儀配合使用，用于掃描測試彈簧在受載狀態(tài)下的幾何形狀。

圖2 螺旋彈簧應(yīng)力檢測裝置結(jié)構(gòu)示意

2 檢測原理

通過定位裝置將彈簧安裝在檢測裝置上，隨后對測試位置施加載荷。由3D掃描儀、六分力測力機(jī)與計(jì)算機(jī)獲取和處理彈簧的外形信息和載荷信息，最后由計(jì)算機(jī)存儲數(shù)據(jù)并計(jì)算應(yīng)力值。彈簧應(yīng)力檢測的流程如圖3所示。

圖3 彈簧應(yīng)力檢測流程圖

圖4 螺旋彈簧受力分析及局部作用平面示意

螺旋彈簧整體受力及局部作用平面如圖4所示，由圖4可知,在載荷P的作用下，彈簧任意截面受到剪力、拉力、扭矩(T)以及彎矩(M)的作用，力與力矩引起的剪應(yīng)力τ1,τ2和正應(yīng)力σ1,σ2分別為[9]

T=PDcosα

(1)

M=PDsinα

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:D為截面中心到載荷作用線的距離;d為鋼絲直徑;α為平面V1與V2的夾角;V1為通過截面中心且平行于載荷作用線的平面;V2為截面所在平面。

正應(yīng)力與剪應(yīng)力的截面分布示意如圖5所示，由圖5可知，截面上任意點(diǎn)的總應(yīng)力，應(yīng)是同類應(yīng)力的矢量和。截面上的剪應(yīng)力最大值τmax與正應(yīng)力最大值σmax分別如式(7)，(8)所示。

(7)

(8)

圖5 正應(yīng)力與剪應(yīng)力截面分布示意

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

側(cè)載螺旋彈簧由于側(cè)向載荷分量較大，彈簧各圈的應(yīng)力分布不均勻，這加大了準(zhǔn)確全面地檢測彈簧應(yīng)力的難度。為測試檢測裝置的可行性，選用某側(cè)載螺旋彈簧為檢測對象，被測彈簧的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 被測彈簧的幾何參數(shù)

3.1 計(jì)算機(jī)模擬仿真

采用有限元方法離散測試彈簧模型，彈簧選用高階梁單元，彈簧裝配座采用剛體處理，彈簧與裝配座間設(shè)置接觸單元。彈簧有限元模型如圖6所示。

圖6 彈簧有限元模型

有限元仿真計(jì)算得到的彈簧應(yīng)力分布如圖7所示，由圖7可知，該彈簧在1.1～1.5圈與3.3～3.8圈的上止點(diǎn)剪應(yīng)力和應(yīng)力幅均較其他位置的有明顯提升。

圖7 彈簧的有限元仿真應(yīng)力分布

3.2 應(yīng)變片測試

應(yīng)變片采用45°應(yīng)變花，型號為BF120-2CA。在測試彈簧的1.5圈與3.3圈位置處黏貼電阻應(yīng)變片，壓縮螺旋彈簧至測試位置，測試該狀態(tài)下螺旋彈簧的剪應(yīng)力，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 應(yīng)變片測試結(jié)果

3.3 對比分析

螺旋彈簧應(yīng)力檢測裝置的軟件界面如圖9所示，界面上端為信息輸入欄，測試前需輸入測試彈簧的信息，輸入?yún)?shù)后通過載入模型按鈕將掃描點(diǎn)云模型載入，載入后掃描模型在界面左端顯示。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕實(shí)現(xiàn)應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果在界面的右側(cè)顯示。

圖9 檢測裝置的軟件界面

圖10 3種方法獲得的彈簧應(yīng)力數(shù)據(jù)

檢測裝置的測試結(jié)果與前文所述2種方法得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖10所示(圖中新方法指文章提出的方法)。由圖10可知，檢測裝置的測試數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)、應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)均有較好的重合度，同時檢測裝置很好地檢測到了螺旋彈簧剪應(yīng)力沿圈數(shù)的變化趨勢。

截取測試彈簧多個位置處的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比，不同方法獲得上、下止點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)分別如表2,3所示(表中τmax1，τmax2，τmax3，Δ1，Δ2分別為檢測裝置測試所得的剪應(yīng)力、模擬仿真所得的剪應(yīng)力、應(yīng)變片測試所得的剪應(yīng)力、檢測裝置與模擬仿真數(shù)據(jù)的相對誤差以及檢測裝置與應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)的相對誤差)。由表2,3可知，檢測裝置與仿真模擬數(shù)據(jù)的最大相對誤差為4.15%，與應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)最大相對誤差為2.44%，誤差均小于5%。

表2 上止點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)

表3 下止點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

文章提出了一種基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的螺旋彈簧應(yīng)力檢測裝置，詳細(xì)闡述了該裝置的測試方法與原理。通過對比試驗(yàn)可知，裝置測試數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)的最大相對誤差為4.15%，與應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)的最大相對誤差為2.44%，驗(yàn)證了檢測裝置的有效性。該檢測裝置具有系統(tǒng)簡單，檢測精度高，可實(shí)時檢測等優(yōu)點(diǎn)，在螺旋彈簧檢測領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景。