專利名稱：壓縮彈簧正應(yīng)力和剪應(yīng)力實驗測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓縮彈簧應(yīng)力測量方法，特別是涉及一種測量受壓彈簧正應(yīng)力和剪應(yīng)力的實驗方法。
背景技術(shù)：
彈簧是一種得到廣泛應(yīng)用的機械零件，其種類繁多，除常見的普通圓柱螺旋彈簧外，還包括板簧、片簧、碟形彈簧等等。它是利用材料的彈性和結(jié)構(gòu)的特點，在工作時產(chǎn)生變形，把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，反之，把變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或動能。彈簧在使用過程中，主要起承壓減振作用，對于普通的圓柱螺旋彈簧，由于具有螺旋結(jié)構(gòu)，在軸向載荷的作用下，要同時產(chǎn)生正應(yīng)力和切向應(yīng)力。
目前在彈簧使用和設(shè)計過程中，主要是根據(jù)彈簧要承受的最大機械載荷，以及簧絲材料本身的拉壓強度和剪切強度，根據(jù)材料力學(xué)知識進行相關(guān)理論計算，然后定出彈簧直徑等幾何參數(shù)。但由于其計算公式是完全建立在材料力學(xué)理論基礎(chǔ)上得到的，計算過程中并沒有考慮壓縮過程中彈簧外徑的增大、螺距減小導(dǎo)致的螺旋角的改變，以及其他一些因素對應(yīng)力分布可能產(chǎn)生的影響。因此，該計算結(jié)果是存在一定的誤差的。為此，目前工程應(yīng)用中一般采取在計算結(jié)果基礎(chǔ)上乘以一大于1的安全系數(shù)。這對于一些普通應(yīng)用場合問題不大，但對于一些精密器件中使用的承載彈簧，從既保證安全又考慮結(jié)構(gòu)小型化角度考慮，還是應(yīng)對其正應(yīng)力、切應(yīng)力進行實際測量，給出實際值和計算值之間存在的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題設(shè)計一套壓縮彈簧承載時正應(yīng)力和剪應(yīng)力的測量系統(tǒng)。
選用工程實際中得到廣泛應(yīng)用的圓柱螺旋彈簧作為對象，通過設(shè)計貼片位置和惠斯頓電橋采用不同的橋臂接法，利用電子萬能試驗機進行壓縮實驗，分別得到不同壓縮載荷作用下圓柱螺旋彈簧的正應(yīng)力和切應(yīng)力值。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種壓縮彈簧組合變形單一應(yīng)力測量方法，其特征在于被加載試件為圓柱螺旋彈簧，在圓柱螺旋彈簧中間段的上下面與簧絲軸線成±45°方向各粘貼兩個電阻應(yīng)變片，實驗時分兩次進行，第一次按電阻應(yīng)變片一至四的順序依次接入惠斯頓電橋橋臂，第二次將電阻應(yīng)變片二和三橋臂順序?qū)φ{(diào)，利用電子萬能試驗機進行壓縮實驗，記錄下不同時刻的載荷，用應(yīng)變儀記錄下不同時刻的應(yīng)變值，二者輸入計算機，直至達到最大載荷后卸載。
本發(fā)明的有益效果壓縮彈簧是機械工程中大量使用的減振承載件，壓縮載荷作用下其發(fā)生彎扭組合變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)同時存在正應(yīng)力和切應(yīng)力。本發(fā)明為精確標定不同載荷作用下其正應(yīng)力、切應(yīng)力值提供一套方便簡單測量系統(tǒng)，這對工程應(yīng)用具有重要意義。


圖1實驗測試裝置示意圖。
圖2圓柱螺旋彈簧結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以附圖為實施方式對本發(fā)明作進一步說明如附圖2所示，螺旋彈簧在軸向壓力P作用下，彈簧絲橫截面上的扭矩M扭和彎矩M彎分別為 其中D和α分別為彈簧直徑和螺旋角。其扭矩和彎矩引起的剪應(yīng)力τ理和正應(yīng)力σ理分別為 其中Wt、W和d分別為抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)和彈簧的簧絲直徑。因此，對于尺寸結(jié)構(gòu)確定的螺旋彈簧，在不同壓縮載荷P作用下，利用公式(1)可計算出剪應(yīng)力和正應(yīng)力的理論值。
為了對圓柱螺旋彈簧在壓縮載荷作用下扭矩和彎矩引起的剪應(yīng)力和正應(yīng)力進行實際測量，如圖1所示，設(shè)計了以下實驗方案在圓柱螺旋彈簧中間段的上下面與簧絲軸線成±45°方向各粘貼兩個電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片1、2粘貼在上表面，電阻應(yīng)變片3、4粘貼在下表面。通過標準材料試驗機加載，載荷值轉(zhuǎn)換成應(yīng)力后傳遞給計算機，應(yīng)變值由應(yīng)變儀記錄傳遞給計算機。根據(jù)圓柱螺旋彈簧彎扭組合變形的特點，四個應(yīng)變片的輸出值為ε1＝ε彎+ε扭ε2＝ε彎-ε扭ε3＝-ε彎+ε扭ε4＝-ε彎-ε扭(5)實驗時先將4個應(yīng)變片按1、2、3、4順序依次接入惠斯頓電橋的4個橋臂，再將2、3應(yīng)變片對調(diào)。根據(jù)電橋原理，兩次實驗應(yīng)變儀上的讀數(shù)ε讀依次為ε1讀＝ε1-ε2+ε3-ε4(6)ε2讀＝ε1+ε2-ε3-ε4(7)將(5)式分別代入(6)、(7)式得ε1讀＝4ε扭(8)ε2讀＝4ε彎(9)則 其中G和E分別是材料的剪切模量和楊氏模量。
利用上述實驗方案，即可得到圓柱螺旋彈簧在壓縮載荷作用下其側(cè)面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力實驗值，再與公式(3)、(4)的理論計算值相比較，給出實驗誤差。
該實驗操作的基本步驟包括①選取圓柱螺旋彈簧作為對象；②量取其幾何參數(shù)，包括彈簧直徑、簧絲直徑和螺旋角等參數(shù)，計算其扭截面系數(shù)和抗彎截面系數(shù)；③在圓柱螺旋彈簧中間段的上下面與簧絲軸線成±45°方向各粘貼兩個電阻應(yīng)變片，其中電阻應(yīng)變片1、2粘貼在上表面，電阻應(yīng)變片3、4粘貼在下表面，焊線，依次接入惠斯頓電橋的四個橋臂；④利用標準電子萬能試驗機進行壓縮實驗，記錄下不同時刻的載荷，用應(yīng)變儀記錄下不同時刻的應(yīng)變值，二者輸入計算機，直至最大載荷達到20KN，卸載；⑤利用公式(1)、(3)計算出不同載荷所對應(yīng)的理論剪應(yīng)力值，再利用公式(5)、(6)、(8)、(10)計算得到不同載荷所對應(yīng)的實際剪應(yīng)力值，二者比較，給出實驗誤差。
⑥將電阻應(yīng)變片2、3對調(diào)，重復(fù)上述實驗步驟④；⑦利用公式(2)、(4)計算出不同載荷所對應(yīng)的理論正應(yīng)力值，再利用公式(5)、(7)、(9)、(11)計算得到不同載荷所對應(yīng)的實際正應(yīng)力值，二者比較，給出實驗誤差。
以試件材料為彈簧鋼，D＝145.5mm，d＝26.6mm，α＝6°，E＝200GPa，G＝77GPa的試件為例壓縮剪應(yīng)力實驗結(jié)果如下表 當(dāng)螺旋角α＜10°，由于sinα≈0，壓縮載荷作用下產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力值很小，工程使用中一般忽略其影響。該實驗中螺旋角α＝6°，故上表中只給出了扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的實驗結(jié)果。從表中可以看出，最大相對誤差為12.2％，絕大多數(shù)相對誤差在10％以內(nèi)，說明實驗結(jié)果是真實可靠的。
權(quán)利要求
1.一種壓縮彈簧組合變形單一應(yīng)力測量方法，其特征在于被加載試件為圓柱螺旋彈簧，在圓柱螺旋彈簧中間段的上下面與簧絲軸線成±45°方向各粘貼兩個電阻應(yīng)變片，實驗時分兩次進行，第一次按電阻應(yīng)變片(1)至電阻應(yīng)變片(4)順序依次接入惠斯頓電橋橋臂，第二次將電阻應(yīng)變片(2)和(3)橋臂順序?qū)φ{(diào)，利用電子萬能試驗機進行壓縮實驗，記錄下不同時刻的載荷，用應(yīng)變儀記錄下不同時刻的應(yīng)變值，二者輸入計算機，直至達到最大載荷后卸載。
全文摘要
一種壓縮彈簧正應(yīng)力和剪應(yīng)力實驗測量方法，涉及一種壓縮彈簧應(yīng)力測量方法，特別是涉及組合變形中單一應(yīng)力測量方法。該方法的被加載試件為圓柱螺旋彈簧，在圓柱螺旋彈簧中間段的上下面與簧絲軸線成±45°方向各粘貼兩個電阻應(yīng)變片，實驗時分兩次進行，第一次按電阻應(yīng)變片第一個至電阻應(yīng)變片第四個的順序依次接入惠斯頓電橋橋臂，第二次將電阻應(yīng)變片第二個和第三個橋臂順序?qū)φ{(diào)，利用電子萬能試驗機進行壓縮實驗，記錄下不同時刻的載荷，用應(yīng)變儀記錄下不同時刻的應(yīng)變值，二者輸入計算機，直至達到最大載荷后卸載。實驗測量方法簡單、操作容易，具有工程應(yīng)用背景，而且對于測量不同組合變形時單一應(yīng)力值具有一定的啟示意義。
文檔編號G01L5/00GK1667387SQ20051001154
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者王正道, 康愛健 申請人:北京交通大學(xué)