CN112032230B - 一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法 - Google Patents

一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法 Download PDF

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CN112032230B CN202010946877.5A CN202010946877A CN112032230B CN 112032230 B CN112032230 B CN 112032230B CN 202010946877 A CN202010946877 A CN 202010946877A CN 112032230 B CN112032230 B CN 112032230B
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Abstract

本申请属于矩形截面扭转弹簧性能确定技术领域，具体涉及一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法，包括：确定矩形截面扭转弹簧扭矩：M＝K·θ；
Figure DDA0002675625300000011
其中，M为矩形截面扭转弹簧扭矩；K为矩形截面扭转弹簧扭转刚度；θ为矩形截面扭转弹簧扭转角度；E为矩形截面扭转弹簧弹性模量；Ia为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；D为矩形截面扭转弹簧中径；coilsactive为矩形截面扭转弹簧有效圈数。

Description

一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法
技术领域
本申请属于矩形截面扭转弹簧性能确定技术领域，具体涉及一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法。
背景技术
工程中应用的扭转弹簧多为圆形截面的扭转弹簧，但实践证明，矩形截面的扭转弹簧相较于圆形截面的扭转弹簧，可以以较小的结构尺寸在有限空间内提供较大的力矩，由此可以预见是矩形截面的扭转弹簧会在越来越多的工程应用中，逐渐取代圆形截面的扭转弹簧。
当前，由于圆形截面的扭转弹簧使用较多，对其性能研究较为充分，其性能的确定有丰富的资料可供参考，矩形截面的扭转弹簧使用相对较少，对其性能研究还不够充分，确定其性能可供参考的资料贫乏，依照现有的资料难以准确的确定其性能，对其进行设计、改进缺少有效数据支撑，以及不能够很好的对其的应用进行指导，在一定程度上限制了其在工程中的推广使用。
鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。
需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本申请的目的是提供一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。
本申请的技术方案是：
一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法，包括：
确定矩形截面扭转弹簧扭矩：
M＝K·θ；
Figure GDA0003248702420000021
Figure GDA0003248702420000022
其中，
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
K为矩形截面扭转弹簧扭转刚度；
θ为矩形截面扭转弹簧扭转角度；
E为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
Ia为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
coilsactive为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
根据本申请的至少一个实施例，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧剩余强度：
Figure GDA0003248702420000023
Figure GDA0003248702420000024
Figure GDA0003248702420000025
Figure GDA0003248702420000026
Figure GDA0003248702420000027
Figure GDA0003248702420000031
其中，
η为矩形截面扭转弹簧剩余强度；
Rb为矩形截面扭转弹簧拉伸使用强度；
fb为矩形截面扭转弹簧拉伸应力；
Kb为矩形截面扭转弹簧应力系数；
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Ia为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
σb为矩形截面扭转弹簧拉伸强度；
Rst为矩形截面扭转弹簧剪切使用强度；
fst为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
τb为矩形截面扭转弹簧剪切强度。
根据本申请的至少一个实施例，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，
Figure GDA0003248702420000032
Pcomp＝Kcomp·(H-H0)；
Figure GDA0003248702420000033
Figure GDA0003248702420000034
Figure GDA0003248702420000035
Figure GDA0003248702420000036
Figure GDA0003248702420000037
其中，
fst为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
Pcomp为矩形截面扭转弹簧轴向安装力；
Kcomp为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
H为矩形截面扭转弹簧工作高度；
H0为矩形截面扭转弹簧自由高度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
b为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Q为矩形截面扭转弹簧剪切强度系数；
c为矩形截面扭转弹簧中径与轴向厚度的比值。
根据本申请的至少一个实施例，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，
Figure GDA0003248702420000041
Figure GDA0003248702420000042
Figure GDA0003248702420000043
Figure GDA0003248702420000044
Figure GDA0003248702420000045
Figure GDA0003248702420000046
其中，
Kcomp为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
G为矩形截面扭转弹簧剪切模量；
E为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
μ为矩形截面扭转弹簧泊松比；
b为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
W为矩形截面扭转弹簧压缩刚度系数；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
coilsactive为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
根据本申请的至少一个实施例，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧内径应力系数：
Figure GDA0003248702420000051
Figure GDA0003248702420000052
Figure GDA0003248702420000053
Figure GDA0003248702420000054
其中，
Kbi为矩形截面扭转弹簧内径应力系数；
e为矩形截面扭转弹簧曲率；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
根据本申请的至少一个实施例，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧外径应力系数：
Figure GDA0003248702420000061
Figure GDA0003248702420000062
Figure GDA0003248702420000063
Figure GDA0003248702420000064
其中，
Kbo为矩形截面扭转弹簧外径应力系数；
e为矩形截面扭转弹簧曲率；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
附图说明
图1是本申请实施例提供的矩形截面扭转弹簧在自由高度下的示意图；
图2是本申请实施例提供的矩形截面扭转弹簧在工作高度下的示意图；
图3是本申请实施例提供的矩形截面扭转弹簧随扭转角度变化的示意图。
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；此外，附图用于示例性说明，其中描述位置关系的用语仅限于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。
下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。
一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法，包括：
确定矩形截面扭转弹簧扭矩：
M＝K·θ；
Figure GDA0003248702420000081
Figure GDA0003248702420000082
其中，
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
K为矩形截面扭转弹簧扭转刚度；
θ为矩形截面扭转弹簧扭转角度；
E为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
Ia为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
coilsactive为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
在一个具体实施例中，矩形截面扭转弹簧各项参数如下：
弹性模量E：106795；
轴向厚度Ta：8；
径向厚度Tr：10；
扭簧中径D：120；
有效圈数coilsactive：4.75；
基于上述矩形截面扭转弹簧性能确定方法，计算得到矩形截面扭转弹簧扭矩与扭转角度的关系如图3所示；
对上述矩形截面扭转弹簧进行扭转试验，试验结果如下：
Figure GDA0003248702420000091
对比可知，基于上述矩形截面扭转弹簧性能确定方法，计算得到矩形截面扭转弹簧扭矩与扭转角度的关系与实际基本一致，能够满足工程应用的需求。
在一些可选的实施例中，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧剩余强度：
Figure GDA0003248702420000092
Figure GDA0003248702420000093
Figure GDA0003248702420000094
Figure GDA0003248702420000095
Figure GDA0003248702420000096
Figure GDA0003248702420000097
其中，
η为矩形截面扭转弹簧剩余强度；
Rb为矩形截面扭转弹簧拉伸使用强度；
fb为矩形截面扭转弹簧拉伸应力；
Kb为矩形截面扭转弹簧应力系数；
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Ia为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
σb为矩形截面扭转弹簧拉伸强度；
Rst为矩形截面扭转弹簧剪切使用强度；
fst为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
τb为矩形截面扭转弹簧剪切强度。
在一些可选的实施例中，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，
Figure GDA0003248702420000101
Pcomp＝Kcomp·(H-H0)；
Figure GDA0003248702420000102
Figure GDA0003248702420000103
Figure GDA0003248702420000104
Figure GDA0003248702420000105
Figure GDA0003248702420000106
其中，
fst为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
Pcomp为矩形截面扭转弹簧轴向安装力；
Kcomp为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
H为矩形截面扭转弹簧工作高度；
H0为矩形截面扭转弹簧自由高度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
b为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Q为矩形截面扭转弹簧剪切强度系数；
c为矩形截面扭转弹簧中径与轴向厚度的比值。
在一些可选的实施例中，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，
Figure GDA0003248702420000111
Figure GDA0003248702420000112
Figure GDA0003248702420000113
Figure GDA0003248702420000114
Figure GDA0003248702420000115
Figure GDA0003248702420000116
其中，
Kcomp为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
G为矩形截面扭转弹簧剪切模量；
E为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
μ为矩形截面扭转弹簧泊松比；
b为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Ta为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
W为矩形截面扭转弹簧压缩刚度系数；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
coilsactive为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
在一些可选的实施例中，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧内径应力系数：
Figure GDA0003248702420000121
Figure GDA0003248702420000122
Figure GDA0003248702420000123
Figure GDA0003248702420000124
其中，
Kbi为矩形截面扭转弹簧内径应力系数；
e为矩形截面扭转弹簧曲率；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
在一些可选的实施例中，上述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法中，还包括：
确定矩形截面扭转弹簧外径应力系数：
Figure GDA0003248702420000125
Figure GDA0003248702420000131
Figure GDA0003248702420000132
Figure GDA0003248702420000133
其中，
Kbo为矩形截面扭转弹簧外径应力系数；
e为矩形截面扭转弹簧曲率；
a为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Tr为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
R为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
对于以上实施例公开的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，领域内技术人员可以理解的是，其公开的矩形截面扭转弹簧扭矩M、剩余强度η、内径应力系数Kbi、外径应力系数Kbo的确定方法，具有较高的准确性，可为矩形截面扭转弹簧的设计、改进提供有效数据支撑，很好的指导矩形截面扭转弹簧的应用，利于矩形截面扭转弹簧在工程中的推广使用。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，包括：
确定矩形截面扭转弹簧扭矩：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
K为矩形截面扭转弹簧扭转刚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为矩形截面扭转弹簧扭转角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
2.根据权利要求1所述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，
还包括：
确定矩形截面扭转弹簧剩余强度：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 914562DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为矩形截面扭转弹簧剩余强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为矩形截面扭转弹簧拉伸使用强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为矩形截面扭转弹簧拉伸应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为矩形截面扭转弹簧应力系数；
M为矩形截面扭转弹簧扭矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Figure 894020DEST_PATH_IMAGE008
为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Figure 673757DEST_PATH_IMAGE006
为矩形截面扭转弹簧轴向惯性矩；
Figure 616436DEST_PATH_IMAGE007
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为矩形截面扭转弹簧拉伸强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为矩形截面扭转弹簧剪切使用强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为矩形截面扭转弹簧剪切强度。
3.根据权利要求2所述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 24284DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
其中，
Figure 581167DEST_PATH_IMAGE022
为矩形截面扭转弹簧剪切应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为矩形截面扭转弹簧轴向安装力；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
H为矩形截面扭转弹簧工作高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为矩形截面扭转弹簧自由高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Figure 159785DEST_PATH_IMAGE007
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为矩形截面扭转弹簧剪切强度系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为矩形截面扭转弹簧中径与轴向厚度的比值。
4.根据权利要求3所述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 686581DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 89881DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 630715DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，
Figure 119465DEST_PATH_IMAGE031
为矩形截面扭转弹簧压缩刚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为矩形截面扭转弹簧剪切模量；
Figure 653214DEST_PATH_IMAGE005
为矩形截面扭转弹簧弹性模量；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为矩形截面扭转弹簧泊松比；
Figure 911020DEST_PATH_IMAGE034
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度的一半；
Figure 137602DEST_PATH_IMAGE007
为矩形截面扭转弹簧轴向厚度；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为矩形截面扭转弹簧压缩刚度系数；
Figure 113648DEST_PATH_IMAGE019
为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Figure 185510DEST_PATH_IMAGE008
为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Figure 828981DEST_PATH_IMAGE033
为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径；
Figure 898568DEST_PATH_IMAGE009
为矩形截面扭转弹簧有效圈数。
5.根据权利要求2所述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，
还包括：
确定矩形截面扭转弹簧内径应力系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 407915DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 283468DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为矩形截面扭转弹簧内径应力系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为矩形截面扭转弹簧曲率；
Figure 312603DEST_PATH_IMAGE019
为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Figure 84250DEST_PATH_IMAGE008
为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Figure 769310DEST_PATH_IMAGE033
为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
6.根据权利要求2所述的矩形截面扭转弹簧性能确定方法，其特征在于，
还包括：
确定矩形截面扭转弹簧外径应力系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 448553DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 535457DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 478006DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为矩形截面扭转弹簧外径应力系数；
Figure 463410DEST_PATH_IMAGE046
为矩形截面扭转弹簧曲率；
Figure 618448DEST_PATH_IMAGE019
为矩形截面扭转弹簧径向厚度的一半；
Figure 887755DEST_PATH_IMAGE008
为矩形截面扭转弹簧径向厚度；
Figure 1205DEST_PATH_IMAGE033
为矩形截面扭转弹簧中径的一半；
D为矩形截面扭转弹簧中径。
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