用双向扭转圆柱组合螺旋弹簧实现扭矩测试

用双向扭转圆柱组合螺旋弹簧实现扭矩测试

用双向扭转圆柱组合螺旋弹簧实现扭矩测试华北工学院刘春美孟立凡郑宾

[要]利用单个圆柱螺旋扭转弹簧扭转原理，出了一种用双摘 给向扭转圆柱组合螺旋弹簧实现扭矩测试的方法。根据扭转弹簧模型，给出了预紧力、载的证明，对实验结果进行分析；结构用于扭矩加并该

测试系统既实用可靠，简单易加工；又降低了测试系统的成本，有很具高的实用价值。

[键词]扭力弹簧关引言

扭矩测试

预紧力由此可知，转弹簧应按受弯矩的曲梁来计 扭

圆柱扭转螺旋弹簧常用于储存能量、紧及压传递扭矩。当弹簧承受的扭矩较大，簧轴向尺弹寸受限制，同时也为了减少弹簧丝直径时，计中设常常将两个或两个以上弹簧组合起来，其套在将一

算，它的任一截面上的应力为弯曲应力，最大在其弯曲应力 (a及强度条件为： P)

‰一

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……………

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起使用且使其轴线重合。本文将圆柱组合螺旋弹簧用于扭矩的测量。为准确测量扭矩大小，减

式中： w——弹簧丝的抗弯截面模量，,网弹 m。对簧丝 W::。 3, r/ 2 d为弹簧丝直径； d K——扭转弹簧的曲度系数，一 ( f 1/ K 4一 )(f 1,旋绕比，常 f~ 1; 4+ ) f为通一4 6

小实验误差，避免内外各层弹簧工作时互相干应扰产生摩擦与磨损。故相邻两层弹簧应绕成相反

的旋向。双向扭转圆柱组合螺旋弹簧的设计，仍然采用单个弹簧设计计算的原理及公式，还需但再加上组合弹簧设计的特殊要求。1单个圆柱螺旋扭转弹簧的应力及扭转角

M一扭转弹簧所受弯矩。 N m;

[——材料的许用弯曲应力， a P。

在自由状态下，防止单个圆柱螺旋扭转弹为簧承受工作扭矩后邻圈接触而产生摩擦与磨损，在各个承载圈之间应留少量间隙 (一0 5 m)艿 .r a。

1 1单个圆柱螺旋扭转弹簧的应力 .图 1扭转弹簧受力图，垂直于弹簧轴线为在

图 1扭转弹簧受力图12扭转角及扭转刚度

.

平面内受一扭矩丁作用的螺旋弹簧，其弹簧丝在的任意截面上将作用着弯矩 M— T o a和转矩丁 cs一

扭转弹簧承受外加扭矩丁后，簧所产生的弹扭转变形 ():。为 一可。………………………………… ( ) z 2一…………………………………

Ts a由于螺旋角 a小，以转矩可以忽 i。 n很所

略不计，可认为 M≈ T,此，转弹簧的弹簧并因扭丝中主要承受弯矩 M的作用。

M l

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式中：——弹簧的有效长度， Z丌，中 Z m,一 Dz其 D。弹簧的平均直径，为弹簧的有为 效圈数；E -弹簧的弹性模量， a _一 P;

—

—

、

分虽为弹簧 1弹簧 2加预紧力后、的扭转角。

弹簧 1变形为：1￣1 - 一 = 0- To一

,

J—截面惯性矩，,一 7/ 4其中为— m f 6,弹簧丝直径。 弹簧的扭转刚度是 N 。为： ( m/ )F 4

整理得：k 2×。×…

。

是 M/ 6 z一一 4 n。 D

……………………

( ) 3

加上预紧力后，弹簧处于平衡状态，两给轴加

圆柱组合螺旋弹簧结构见图 2这种结构与，内外径相同的扭转弹簧相比，乎可以得到 2倍几

正向扭矩 T,轴转动了，轴列平衡式：则对T= k ( 1+ 1+是 (一仇 ) ( l F z , ) 2一 k -k )

的变形量和 2倍的变形角，因此其适合于小空间大变形、转作用面接近于同一平面的场合。扭2圆柱组合螺旋弹簧实现扭矩测试的环境要求

故转角为：一 。……………………

( 6)

弹簧 T作扭转角在一~+之间变化，作 T扭矩较大，作环境比较恶劣，承受高低温的变工要化，0要求在一定范围内，构应尽可能的小，冈度结且加载方便。

给轴加反向扭矩 T,然满足上述关系式，仍故

转角与扭矩呈线性关系，刚度等于两弹簧各自总的刚度和。

图 2圆柱组合螺旋弹簧 3弹簧结构的设计

图 3加预紧力示意图

根据试验的环境要求，择硅锰合金弹簧钢选丝，性好，弹回

火稳定性好，许用弯曲应力较大。且 经计算弹簧钢丝直径可取 d一 5 m。用内、两 a r外层弹簧实现，径尺寸分别为 D D圈数分别中、,为、,度分别为 h、 高 h。 4预应力的计算与证明为保证两弹簧均能有效使用，须事先加一必预紧力，使其都工作在弹性范围内，预紧力示以加意图见图 3。给弹簧 1加一预紧力，生扭矩，产 使弹簧 1转到。加上弹簧 2后，弹簧互相作，两用达到平衡状态，矩应相等，扭即是 1 k 2…………………………… 1= 2。 ( 4)一

图 4测试加裁装置5试验结果与分析

测试加载装置见图 4两端用顶尖顶住轴，。 在加力杆端部加载，以力臂即得到扭矩，转过乘轴

角度，过刻度盘读出转角值。最后经过数据通

处理，出了该结构的刚度为 7 2 m/,过求 .N。经反复的加卸载试验，现只有经过 (发下转第 4 4页 )1 6

式中： k——分别为弹簧 1弹簧 2的刚度； k、2、

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一≤ _荔l一

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以上材料一式两份，号寄至：挂地址：北京西城区三里河路 4 6号 ( 0 1室 ) 11 邮编： 10 2 083传真：6 5 2 9 8702

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(上接第 1 6页 )次扭转，能降低系统的空转多才角，得系统的稳定性大大提高，重复性提高。使可 同时也充分说明该结构用于扭矩测试系统既实用

可靠，简单易加工，低了测试系统的成本，又降具有很强的实用价值。

参考文献

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