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嘉峪检测网 2019-12-02 16:14
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。
试验材料与试验方法
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。
2、试验方法
采用WNJ-500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℃。
理论分析
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
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。
表1 不同扭转角度下矩形扭簧的瞬时扭矩
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。
图1 不同扭转角度下矩形扭簧的瞬时扭矩及其改变量
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。
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134，133，133，132，135N·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。
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。
作者：常新宇，工程师，内蒙古第一机械集团有限公司
来源：理化检验
