CN110542522A - 一种扭簧应力松弛的动态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及扭簧应力测试领域，尤其涉及一种扭簧应力松弛的动态测试方法。采用计算机程序控制扭转试验机循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况，每周次循环中包含若干个微动循环；根据使用工况，在上下限扭转角度包括上下限的范围内、在加载和/或卸载过程中的任何角度，加载所需次数和振幅的微动循环，扭簧经多周次的全循环后测定扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，确定其应力松弛行为。本发明的测试方法能够准确反映扭簧实际使用时的应力松弛情况，准确预测扭簧使用寿命，具有实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及扭簧应力测试领域，尤其涉及一种扭簧应力松弛的动态测试方法。
背景技术
对弹簧或其它弹性元件而言，在承受静态载荷或动态交变载荷时都会发生承载能力随承载时间的延长而下降的现象，被称为应力松弛或弹性衰退，这是弹簧及弹性元件在服役过程中常见的失效形式。因此，测试并预测弹簧的应力松弛行为是研究弹簧使用寿命的重要手段。虽然，早在1868年J.c.Maxwell对应力松弛规律及其影响因素进行相关研究，然而迄今人们对应力松弛机制、发生条件等尚未建立起统一的理论，且无通用的应力松弛测试方法。我国在1988年颁发《金属应力松弛试验方法》(GB10120-88)，但也只是对于结构件用棒材等金属材料等作标准规定，并没有针对弹簧产品的使用标准。
对于弹簧产品来说，应力松弛试验方法可分为静态测试和动态测试两类，前者由于装置简单应用较多，但对于在复杂应力状态下工作的各种弹性元件或构件的应力松弛的评定仍不通用，不能够反应弹簧产品的实际使用情况。而动态测试方法是一种更加贴合实际的测试方法，因要求在循环载荷(即在弹簧最大载荷和最小载荷的范围内作往复运动)下实验，实验装置复杂、费时费事，很少被人采用。
发明内容
本发明的目的是提供一种扭簧应力松弛的动态测试方法，采用循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况且包含若干个微动循环，解决目前扭簧应力测试方法偏差较大的问题。
为了解决现有技术中存在的不足之处，本发明的技术方案是：
一种扭簧应力松弛的动态测试方法，采用计算机程序控制扭转试验机循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况，一个周次的循环中包含模拟实际工况的微动循环；根据使用工况，在上下限扭转角度包括上下限的范围内、在加载和/或卸载过程中的任何角度，加载所需次数和振幅的微动循环，并与试验前的初始扭矩值进行对比，确定其应力松弛行为。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，扭簧每个工作循环后都由计算机程序控制测定其扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低扭矩值最低容限值x％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于扭矩值最低容限值x％，继续试验，直至达到指定工作循环后，试验结束。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，具体步骤如下：
(1)制备扭簧样品，将扭簧安装于夹具；
(2)根据实际使用工况，确定总循环周次N，加载角的最小扭转角α、最大扭转角β，微动角θ以及振幅△θ和振动次数n，扭矩值最低容限值x％；
(3)根据实际使用工况，将扭簧扭转到最小扭转角；
(4)根据实际使用工况，将扭簧扭转到微动角；
(5)根据实际使用工况，在微动角附近做n次振幅为△θ的微动循环；
(6)根据实际使用工况，如果存在两个以上的微动循环，则重复上述步骤4～5；
(7)根据实际使用工况，将扭簧加载到最大扭转角，测定扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低扭矩值最低容限值x％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于扭矩值最低容限值x％，继续试验；
(8)重复上述步骤3～7，直至循环次数达到总循环周次N后，试验结束。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，夹具的组成和结构如下：
夹具由夹头A、夹头B、芯杆三个部分组成，夹头A的外侧端与扭转试验机从动夹头端连接，夹头A外侧端的尺寸与形状由扭转试验机从动夹头端的尺寸和形状确定；夹头A的内侧端与扭簧端部连接，夹头A内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定；夹头B的外侧端与扭转试验机主动夹头端连接，夹头B外侧端的尺寸与形状由扭转试验机主动夹头端确定；夹头B的内侧端与扭簧端部连接，夹头B内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定；芯杆两端分别与夹头A和夹头B连接，扭簧套在芯杆上分别与夹头A和夹头B的内侧连接。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，总循环周次N为≥10，加载角的最小扭转角α为1°～36000°，加载角的最大扭转角β为1°～36000°，微动角θ为α≤θ≤β，振幅△θ为≤0.4(β-α)，振动次数n为≥2，扭矩值最低容限值x％为≤50％。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，扭簧材料和形状不受限制。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，扭簧样品尺寸与夹具尺寸根据需要进行调整，互不受限。
所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，能够实时测量和记录扭转角对应的扭矩值，能够实时反映扭簧使用时的应力松弛情况。
本发明的设计思想是：
扭转弹簧(扭簧)用于各种机构中承受扭转力矩的场合，是常用的弹簧类型之一。它的用途十分广泛，大到飞机军舰，小到手机相机等各种产品均用到扭簧。在实际使用中，扭簧的使用工况是在最小扭转角和最大扭转角之间做往返运动，在一个周期的往返运动中，常常包含有在加载和(或)卸载过程中的、在最小扭转角和最大扭转角之间的某些或某个特定扭转角处的微小振动。因此，为了测试扭簧实际使用情况下的应力松弛行为，准确预测扭簧的使用寿命，本发明提出一种扭簧的应力松弛动态测试方法，能够模拟扭簧的实际使用工况。在测试过程中，扭簧不仅在最小扭转角和最大扭转角之间做周期性的往返转动，还包含在加载和(或)卸载过程中的、在某些或某个特定扭转角处的微小振动行为。
扭簧通过专用安装夹具安装在扭转试验机上，专用安装夹具依据扭簧端部的形状和尺寸进行匹配设计和制造，该测试方法可以模拟任意尺寸和形状的扭簧实际使用工况下的应力松弛行为。测试过程采用计算机程序控制扭转试验机进行循环载荷加载的方式，根据扭簧的实际使用工况来确定试验参数，包括全循环载荷的加载周次、最小扭转角、最大扭转角、微动角及其振幅和振动次数、以及扭簧扭矩值的最低容限值等。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明循环载荷加载中包含若干个微动循环，其作用和效果是：模拟扭簧实际使用工况，在最小扭转角和最大扭转角之间做周期性的往返转动，还包含在加载和(或)卸载过程中的、在某些或某个特定扭转角处的多次小角度的振动行为。
2、本发明能够准确实时测量和记录扭转角对应的扭矩值。
3、本发明的测试方法能够准确反映任意尺寸和形状的扭簧实际使用时的应力松弛情况，准确预测扭簧的使用寿命。
附图说明
图1为每次循环的工作循环曲线。图中，横坐标N代表循环周次(Cycle)，纵坐标Torsion angle代表扭转角(°)。
图2为第1～20000次循环的188°扭矩值曲线。图中，横坐标N代表循环周次(Cycle)，纵坐标Torque代表扭簧扭矩(Nm)。
图3为每次循环的工作循环曲线。
图4为第1～15000次循环的142°扭矩值曲线。
图5为扭簧夹具结构示意图。图中，1.夹头A，2.夹头B，3.芯杆。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明扭簧应力松弛的动态测试方法，采用计算机程序控制扭转试验机循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况。一个周次的循环中包含模拟实际工况的若干个微动循环，具体步骤如下：
1、制备扭簧样品、专用安装夹具见图5，夹具的组成和结构如下：
夹具由夹头A1、夹头B2、芯杆3三个部分组成，夹头A1的外侧端与扭转试验机从动夹头端连接，夹头A1外侧端的尺寸与形状由扭转试验机从动夹头端的尺寸和形状确定。夹头A1的内侧端与扭簧端部连接，夹头A1内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定。夹头B2的外侧端与扭转试验机主动夹头端连接，夹头B2外侧端的尺寸与形状由扭转试验机主动夹头端确定。夹头B2的内侧端与扭簧端部连接，夹头B2内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定。芯杆3两端分别与夹头A1和夹头B2连接，扭簧套在芯杆3上分别与夹头A1和夹头B2的内侧连接，芯杆3的高度由扭簧工作高度确定。
本发明专用安装夹具所起的作用和达到的效果如下：
夹头A1的内侧端与扭簧端部连接，将扭簧端部固定在夹头A1的内部，消除装配间隙后，可以实现扭簧端部与夹头A1的同步转动。夹头A1的外侧端与扭转试验机从动夹头端连接，将夹头A1的外侧端固定在扭转试验机从动夹头端内部，消除装配间隙后，可以实现夹头A1与扭转试验机从动夹头的同步转动，即实现扭簧端部与扭转试验机从动夹头的同步转动。夹头B2的内侧端与扭簧端部连接，将扭簧端部固定在夹头B2的内部，消除装配间隙后，可以实现扭簧端部与夹头B2的同步转动。夹头B2的外侧端与扭转试验机主动夹头端连接，将夹头B2的外侧端固定在扭转试验机主动夹头端内部，消除装配间隙后，可以实现夹头B2与扭转试验机主动夹头的同步转动，即实现扭簧端部与扭转试验机主动夹头的同步转动。将扭簧套在芯杆3上，同时安装在夹头A1和夹头B2的内侧端，实现扭簧的安装高度即为扭簧的工作高度。芯杆3两端分别与夹头A1和夹头B2连接，以保证夹头A1和夹头B2的同轴度。专用安装夹具可以实现扭簧与扭转试验机同步转动，且保证扭簧与扭转试验机的同轴度。
2、根据实际使用工况，确定总循环周次N，加载角的最小扭转角α、最大扭转角β，微动角θ以及振幅△θ和振动次数n，扭矩值最低容限值x％；其中，总循环周次N为≥10，加载角的最小扭转角α为1°～36000°，加载角的最大扭转角β为1°～36000°，微动角θ为α≤θ≤β，振幅△θ为≤0.4(β-α)，振动次数n为≥2，扭矩值最低容限值x％为≤50％；
3、根据实际使用工况，将扭簧扭转到最小扭转角；
4、根据实际使用工况，将扭簧扭转到微动角；
5、根据实际使用工况，在微动角附近做n次振幅为△θ的微动循环，微动循环的具体含义是：模拟扭簧实际使用工况中在某个/某些特定角度θ附近做n次△θ角度的振动行为；
6、根据实际使用工况，如果存在多个微动循环，则重复上述步骤4～5；
7、根据实际使用工况，将扭簧加载到最大扭转角，测定扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低x％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于x％，继续试验；
8、重复上述步骤3～7，直至循环次数达到总循环周次N后，试验结束。
以下结合具体实施例对上述方案作进一步的说明。应该声明的是，这些实施例仅用于说明本发明而不限于本发明的范围。凡是基于本发明进行的研究方案(做同等变化和改进的行为)，均应属于本发明保护范围。
实施例1：
本实施例中，扭簧实际使用工况参数见下表1，扭簧共完成20000次工作循环应力松弛试验，每次循环的工作循环曲线见图1，由表1和图1可以看出，该扭簧的实际使用工况是：首先将扭簧加载至最小扭转角97°→在(97°±15°)附近振动7次，最终停止在97°→扭簧继续加载到143°，并有(143±10)°的振动5次，最终停止在微动角143°→继续加载至最大扭转角188°→卸载到最小扭转角97°。扭簧每个工作循环后，测定其最大扭转角188°的扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低5％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于5％，继续试验直至完成20000个工作循环后，试验结束。
表1扭簧实际使用工况参数
1～20000次工作循环，每次循环中188°的扭矩值曲线见图2，扭簧应力松弛试验前后扭矩的检验结果见表2，由图2和表2可以看出，该扭簧经过20000周次工作循环后扭矩值变化+0.1％，说明该扭簧经20000周次全循环试验后未发生应力松弛，满足扭矩值最低容限＜5％的要求，扭簧未失效。
表2扭簧应力松弛试验前后扭矩的检验结果
实施例2：
本实施例中，扭簧实际使用工况参数见下表3，扭簧共完成15000次工作循环应力松弛试验，每次循环的工作循环曲线见图3，由表3和图3可以看出，该扭簧的实际使用工况是：首先将扭簧加载至最小扭转角82°→继续加载至微动角107°→在(107°±10°)附近振动14次，最终停止在微动角107°→继续加载至最大扭转角142°→卸载到最小扭转角82°。扭簧每个工作循环后，测定其最大扭转角142°的扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低10％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于10％，继续试验直至完成15000个工作循环后，试验结束。
表3扭簧实际使用工况参数
1～15000次每次循环中142°的扭矩值曲线见图4，扭簧应力松弛试验前后扭矩的检验结果见表4，由图4和表4可以看出，该扭簧经过15000周次工作循环后扭矩值变化+0.4％，说明该扭簧经15000周次全循环试验后未发生应力松弛，满足扭矩值最低容限＜10％的要求，扭簧未失效。
表4扭簧应力松弛试验前后扭矩的检验结果
实施例结果表明，本发明采用计算机程序控制扭转试验机循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况，每周次循环中包含若干个微动循环，扭簧经多周次的全循环后测定扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，确定其应力松弛行为。本发明的测试方法能够准确反映扭簧实际使用时的应力松弛情况，准确预测扭簧使用寿命，具有实际意义。
Claims (8)
1.一种扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，采用计算机程序控制扭转试验机循环载荷加载方式，模拟扭簧的实际使用工况，一个周次的循环中包含模拟实际工况的微动循环；根据使用工况，在上下限扭转角度包括上下限的范围内、在加载和/或卸载过程中的任何角度，加载所需次数和振幅的微动循环，并与试验前的初始扭矩值进行对比，确定其应力松弛行为。
2.根据权利要求1所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，扭簧每个工作循环后都由计算机程序控制测定其扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低扭矩值最低容限值x％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于扭矩值最低容限值x％，继续试验，直至达到指定工作循环后，试验结束。
3.根据权利要求1所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)制备扭簧样品，将扭簧安装于夹具；
(2)根据实际使用工况，确定总循环周次N，加载角的最小扭转角α、最大扭转角β，微动角θ以及振幅△θ和振动次数n，扭矩值最低容限值x％；
(3)根据实际使用工况，将扭簧扭转到最小扭转角；
(4)根据实际使用工况，将扭簧扭转到微动角；
(5)根据实际使用工况，在微动角附近做n次振幅为△θ的微动循环；
(6)根据实际使用工况，如果存在两个以上的微动循环，则重复上述步骤4～5；
(7)根据实际使用工况，将扭簧加载到最大扭转角，测定扭矩值，并与试验前的初始扭矩值进行对比，如果扭矩值降低扭矩值最低容限值x％以上，试验结束；如果扭矩值降低小于扭矩值最低容限值x％，继续试验；
(8)重复上述步骤3～7，直至循环次数达到总循环周次N后，试验结束。
4.根据权利要求3所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，夹具的组成和结构如下：
夹具由夹头A、夹头B、芯杆三个部分组成，夹头A的外侧端与扭转试验机从动夹头端连接，夹头A外侧端的尺寸与形状由扭转试验机从动夹头端的尺寸和形状确定；夹头A的内侧端与扭簧端部连接，夹头A内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定；夹头B的外侧端与扭转试验机主动夹头端连接，夹头B外侧端的尺寸与形状由扭转试验机主动夹头端确定；夹头B的内侧端与扭簧端部连接，夹头B内侧端的尺寸与形状由扭簧端部的尺寸和形状确定；芯杆两端分别与夹头A和夹头B连接，扭簧套在芯杆上分别与夹头A和夹头B的内侧连接。
5.根据权利要求3所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，总循环周次N为≥10，加载角的最小扭转角α为1°～36000°，加载角的最大扭转角β为1°～36000°，微动角θ为α≤θ≤β，振幅△θ为≤0.4(β-α)，振动次数n为≥2，扭矩值最低容限值x％为≤50％。
6.根据权利要求1至5之一所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，扭簧材料和形状不受限制。
7.根据权利要求1至5之一所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，扭簧样品尺寸与夹具尺寸根据需要进行调整，互不受限。
8.根据权利要求1至5之一所述的扭簧应力松弛的动态测试方法，其特征在于，能够实时测量和记录扭转角对应的扭矩值，能够实时反映扭簧使用时的应力松弛情况。
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