基于計算機圖形技術的螺旋彈簧應力檢測裝置

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用在各個領域，如汽車懸架系統的螺旋彈簧，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的可靠性與穩健性有著重要影響。螺旋彈簧在受載狀態下主要承受剪應力與拉應力，應力大小決定了其材料的選擇以及疲勞壽命[2-3]。近年來，隨著輕量化設計概念的推廣，螺旋彈簧可承受應力顯著提高[4]，精確獲取螺旋彈簧受載時的應力大小成為設計中至為重要的一環。

螺旋彈簧受載應力數據可通過計算機模擬仿真與傳感器測試的方法獲取。計算機模擬仿真基于有限元方法計算獲取彈簧受載時的應力[5-6]，該方法雖能全面地獲取應力，但由于仿真過程中進行了一定的簡化，所以計算應力可能與實際存在差別，仍需后續傳感器測試來確認數據。傳感器測試主要通過將電阻、壓電陶瓷、光纖光柵應變傳感器黏貼在測試物表面，經信號數據處理后獲得測試應變與應力[7-8]。傳感器測試方法雖能準確得到測試位置的應變與應力，但無法全面獲取測試物各點的數據，其在測試前需判斷測試位置，易忽略關鍵點處的數據。

文章提出一種基于計算機圖形技術的螺旋彈簧應力檢測裝置。該裝置借助計算機圖形技術獲取螺旋彈簧受載后的幾何形狀，結合經典力學分析理論，計算出螺旋彈簧各位置的應力值。該檢測裝置具有結構簡單、操作簡便快速、檢測精度高等優點，無需在螺旋彈簧表面加裝傳感器，即可實現螺旋彈簧無損快速檢測的目的。螺旋彈簧在汽車懸架系統中的裝配位置如圖1所示。

圖1 螺旋彈簧在汽車懸架系統中的裝配位置示意

1 模型簡介

螺旋彈簧應力檢測裝置結構如圖2所示，其主要包括一臺六分力測力機、轉盤、3D掃描儀以及定位盤。

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

圖2 螺旋彈簧應力檢測裝置結構示意

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、六分力測力機與計算機獲取和處理彈簧的外形信息和載荷信息，最后由計算機存儲數據并計算應力值。彈簧應力檢測的流程如圖3所示。

圖3 彈簧應力檢測流程圖

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力τ1,τ2和正應力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。

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

(7)

(8)

圖5 正應力與剪應力截面分布示意

3 試驗方法與結果分析

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

表1 被測彈簧的幾何參數

3.1 計算機模擬仿真

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

有限元仿真計算得到的彈簧應力分布如圖7所示，由圖7可知，該彈簧在1.1～1.5圈與3.3～3.8圈的上止點剪應力和應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力分布

3.2 應變片測試

應變片采用45°應變花，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變片，壓縮螺旋彈簧至測試位置，測試該狀態下螺旋彈簧的剪應力，測試結果如圖8所示。

圖8 應變片測試結果

3.3 對比分析

螺旋彈簧應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，輸入參數后通過載入模型按鈕將掃描點云模型載入，載入后掃描模型在界面左端顯示。點擊計算按鈕實現應力計算，計算結果在界面的右側顯示。

圖9 檢測裝置的軟件界面

圖10 3種方法獲得的彈簧應力數據

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

截取測試彈簧多個位置處的應力數據進行詳細對比，不同方法獲得上、下止點的應力數據分別如表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力、模擬仿真所得的剪應力、應變片測試所得的剪應力、檢測裝置與模擬仿真數據的相對誤差以及檢測裝置與應變片測試數據的相對誤差)。由表2,3可知，檢測裝置與仿真模擬數據的最大相對誤差為4.15%，與應變片測試數據最大相對誤差為2.44%，誤差均小于5%。

表2 上止點檢測數據

表3 下止點檢測數據

4 結語

文章提出了一種基于計算機圖形技術的螺旋彈簧應力檢測裝置，詳細闡述了該裝置的測試方法與原理。通過對比試驗可知，裝置測試數據與計算機仿真數據的最大相對誤差為4.15%，與應變片測試數據的最大相對誤差為2.44%，驗證了檢測裝置的有效性。該檢測裝置具有系統簡單，檢測精度高，可實時檢測等優點，在螺旋彈簧檢測領域具有較高的應用前景。