基于计算机图形技术的螺旋弹簧应力检测装置

倪林森

(上海中国弹簧制造有限公司，上海 201901)

螺旋弹簧作为缓冲储能零件广泛应用在各个领域，如汽车悬架系统的螺旋弹簧，其与减振器配合使用，起到支撑车身与吸收路面冲击的作用[1]。

螺旋弹簧的疲劳寿命对其所在系统的可靠性与稳健性有着重要影响。螺旋弹簧在受载状态下主要承受剪应力与拉应力，应力大小决定了其材料的选择以及疲劳寿命[2-3]。近年来，随着轻量化设计概念的推广，螺旋弹簧可承受应力显著提高[4]，精确获取螺旋弹簧受载时的应力大小成为设计中至为重要的一环。

螺旋弹簧受载应力数据可通过计算机模拟仿真与传感器测试的方法获取。计算机模拟仿真基于有限元方法计算获取弹簧受载时的应力[5-6]，该方法虽能全面地获取应力，但由于仿真过程中进行了一定的简化，所以计算应力可能与实际存在差别，仍需后续传感器测试来确认数据。传感器测试主要通过将电阻、压电陶瓷、光纤光栅应变传感器黏贴在测试物表面，经信号数据处理后获得测试应变与应力[7-8]。传感器测试方法虽能准确得到测试位置的应变与应力，但无法全面获取测试物各点的数据，其在测试前需判断测试位置，易忽略关键点处的数据。

文章提出一种基于计算机图形技术的螺旋弹簧应力检测装置。该装置借助计算机图形技术获取螺旋弹簧受载后的几何形状，结合经典力学分析理论，计算出螺旋弹簧各位置的应力值。该检测装置具有结构简单、操作简便快速、检测精度高等优点，无需在螺旋弹簧表面加装传感器，即可实现螺旋弹簧无损快速检测的目的。螺旋弹簧在汽车悬架系统中的装配位置如图1所示。

图1 螺旋弹簧在汽车悬架系统中的装配位置示意

1 模型简介

螺旋弹簧应力检测装置结构如图2所示，其主要包括一台六分力测力机、转盘、3D扫描仪以及定位盘。

六分力测力机用于检测载荷的大小、方向以及力的作用点；定位盘用于装配定位测试弹簧；转盘与3D扫描仪配合使用，用于扫描测试弹簧在受载状态下的几何形状。

图2 螺旋弹簧应力检测装置结构示意

2 检测原理

通过定位装置将弹簧安装在检测装置上，随后对测试位置施加载荷。由3D扫描仪、六分力测力机与计算机获取和处理弹簧的外形信息和载荷信息，最后由计算机存储数据并计算应力值。弹簧应力检测的流程如图3所示。

图3 弹簧应力检测流程图

图4 螺旋弹簧受力分析及局部作用平面示意

螺旋弹簧整体受力及局部作用平面如图4所示，由图4可知,在载荷P的作用下，弹簧任意截面受到剪力、拉力、扭矩(T)以及弯矩(M)的作用，力与力矩引起的剪应力τ1,τ2和正应力σ1,σ2分别为[9]

T=PDcosα

(1)

M=PDsinα

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:D为截面中心到载荷作用线的距离;d为钢丝直径;α为平面V1与V2的夹角;V1为通过截面中心且平行于载荷作用线的平面;V2为截面所在平面。

正应力与剪应力的截面分布示意如图5所示，由图5可知，截面上任意点的总应力，应是同类应力的矢量和。截面上的剪应力最大值τmax与正应力最大值σmax分别如式(7)，(8)所示。

(7)

(8)

图5 正应力与剪应力截面分布示意

3 试验方法与结果分析

侧载螺旋弹簧由于侧向载荷分量较大，弹簧各圈的应力分布不均匀，这加大了准确全面地检测弹簧应力的难度。为测试检测装置的可行性，选用某侧载螺旋弹簧为检测对象，被测弹簧的几何参数如表1所示。

表1 被测弹簧的几何参数

3.1 计算机模拟仿真

采用有限元方法离散测试弹簧模型，弹簧选用高阶梁单元，弹簧装配座采用刚体处理，弹簧与装配座间设置接触单元。弹簧有限元模型如图6所示。

图6 弹簧有限元模型

有限元仿真计算得到的弹簧应力分布如图7所示，由图7可知，该弹簧在1.1～1.5圈与3.3～3.8圈的上止点剪应力和应力幅均较其他位置的有明显提升。

图7 弹簧的有限元仿真应力分布

3.2 应变片测试

应变片采用45°应变花，型号为BF120-2CA。在测试弹簧的1.5圈与3.3圈位置处黏贴电阻应变片，压缩螺旋弹簧至测试位置，测试该状态下螺旋弹簧的剪应力，测试结果如图8所示。

图8 应变片测试结果

3.3 对比分析

螺旋弹簧应力检测装置的软件界面如图9所示，界面上端为信息输入栏，测试前需输入测试弹簧的信息，输入参数后通过载入模型按钮将扫描点云模型载入，载入后扫描模型在界面左端显示。点击计算按钮实现应力计算，计算结果在界面的右侧显示。

图9 检测装置的软件界面

图10 3种方法获得的弹簧应力数据

检测装置的测试结果与前文所述2种方法得到的应力数据如图10所示(图中新方法指文章提出的方法)。由图10可知，检测装置的测试数据与仿真计算数据、应变片测试数据均有较好的重合度，同时检测装置很好地检测到了螺旋弹簧剪应力沿圈数的变化趋势。

截取测试弹簧多个位置处的应力数据进行详细对比，不同方法获得上、下止点的应力数据分别如表2,3所示(表中τmax1，τmax2，τmax3，Δ1，Δ2分别为检测装置测试所得的剪应力、模拟仿真所得的剪应力、应变片测试所得的剪应力、检测装置与模拟仿真数据的相对误差以及检测装置与应变片测试数据的相对误差)。由表2,3可知，检测装置与仿真模拟数据的最大相对误差为4.15%，与应变片测试数据最大相对误差为2.44%，误差均小于5%。

表2 上止点检测数据

表3 下止点检测数据

4 结语

文章提出了一种基于计算机图形技术的螺旋弹簧应力检测装置，详细阐述了该装置的测试方法与原理。通过对比试验可知，装置测试数据与计算机仿真数据的最大相对误差为4.15%，与应变片测试数据的最大相对误差为2.44%，验证了检测装置的有效性。该检测装置具有系统简单，检测精度高，可实时检测等优点，在螺旋弹簧检测领域具有较高的应用前景。