圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计与实现

2 主要技术指标
弹簧衰减试验机的主要技术指标分别为：1）试验频率可调范围为 0.01~1 Hz。2）振幅可调范围为 0~700 mm。3）最大试验载荷为 5 000 N。4）被测弹簧最大外径为 150 mm。5）被测弹簧自由长度范围为 10~1 000 mm。6）计次范围为 1~1 000 000 次。7）位移传感器精度为 0.01 mm。8）拉压力传感器精度为 0.5%。
（2）电气系统。电气系统组成有伺服驱动器、拉压 力传感器与放大器、位移传感器、上限位开关、下限位 开关和急停按钮等。
（3）控制系统。控制系统组成有工控机、运动控制 卡、A/D 接口卡、I/O 接口卡、显示屏和键盘等。
12. 直线滑块 11. 压缩弹簧 13. 位移传感器 10. 导向圆柱
9. 下板
1. 伺服电机 2. 定位轴 3.上板 14. 丝杆螺母 4. 移动板 5. 滚珠丝杆
3 机械系统设计
机械系统主要有伺服电机、滚珠丝杆螺母、铝合金机架、导向圆柱、直线滑块、行星减速机和脚轮
等。已知试验机的相关参数如下：试验载荷为 5 000 N，最大行程为 700 mm，最快进给速度为 80 mm/s，
加减速时间为 0.1 s，滚珠丝杆的效率为 0.9。
3.1 滚珠丝杆的计算
3.1.1 丝杆轴全长 BL 丝杆轴全长可表示为
关键词：弹簧；疲劳；试验机；设计；实现
中图分类号：TH873.3
文献标志码：A
弹簧是一种弹性元件，多数机械设备均离不开弹簧。弹簧利用本身的弹性，受载后产生较大变形， 卸载后变形消失而弹簧将恢复原状。弹簧在产生变形和恢复原状时，能够将机械功或动能转变为变形 能，或把变形能转变为机械功或动能［1］。弹簧的类型很多，按结构形状来分，弹簧大致分为圆柱螺旋弹 簧、非圆柱螺旋弹簧和其他弹簧。圆柱螺旋弹簧又可分为螺旋压缩、螺旋拉伸和螺旋扭转弹簧等。一般 弹簧在工作中承受的是变载荷，疲劳破坏是弹簧失效的主要形式［2］，故必须对弹簧进行疲劳性能试验。 弹簧疲劳试验机是一种对弹簧进行循环应力加载的试验设备，通过对弹簧施加周期性的变载荷来达到 检查弹簧疲劳寿命的目的。目前，弹簧疲劳试验机有机械式、电磁谐振式和电液伺服式等［3］。
BL=最大行程+螺母长度+余量+轴端尺寸+联轴器安装尺寸，
（1）
其中，最大行程为 700 mm，螺母长度为 62 mm，余量为 30 mm，轴端尺寸为 72 mm，联轴器安装尺寸为
36 mm，故丝杆轴全长 BL=900 mm。 3.1.2 丝杆轴径 BD
负载作用点间距 l =丝杆轴全长-轴端尺寸/2，故负载作用点间距 l 为 828 mm。由试验载荷 5 000
6. 铝合金机架
8. 拉压力传感器
7. 脚轮
图 1 弹簧衰减试验机的组成结构示意
收稿日期：2017-03-07 作者简介：许安鹏（1988-），男，广东潮州人，佛山智能装备技术研究院工程师。
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佛山科学技术学院学报（自然科学版）
第 35 卷
试验机的工作原理如图 2 所示，工控机是试验机的核心控制系统，开发程序是基于 Windows 环境 的一种面向对象的可视化编程语言 Visual C++［4］。
测试前将待测试弹簧安装到定位轴上，弹簧的上下两端分别与移动板和拉压力传感器连接。测试 时，伺服电机驱动移动板在竖向导向机构的导向下作上下往复运动，从而对待测试压缩弹簧产生压力 （拉伸弹簧产生拉力），通过拉压力传感器实时检测弹簧的压力或拉力，位移传感器实时检测弹簧的变 形，保存并分析相关的数据，从而完成弹簧的疲劳试验。
运动控制卡
伺服驱动器
伺服电机
行星减速机
滚珠丝杆
A/D 接口卡
工
控
I/O 接口卡
机
显示屏
放大器
拉压力传感器
位移传感器
被 测 压 缩 弹 簧
︵ 或 拉 伸 弹 簧 ︶
键盘
图 2 弹簧衰减试验机的工作原理
由图 2 可知，试验机的工作原理为：工控机将运动指令发送到运动控制卡，运动控制卡向伺服驱动 器发送高频率的脉冲串，实现对伺服电机进行运动控制。伺服电机经过行星减速机减速后驱动滚珠丝 杆，并将旋转运动转化为直线运动，从而实现移动板的上下往复运动。
N，查表可得轴径应大于 15 mm，故取轴径 BD=20mm。 3.1.3 导程 s
Hale Waihona Puke 根据丝杆轴径为 20 mm 时，对应的导程有 5、10 和 20 mm，从节约成本方面考虑，这里取导程 s=10 mm。
3.1.4 容许轴向负载 P
容许轴向负载可表示为
P=m
d4 l2
伊104，
（2）
第6期
许安鹏：圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计与实现
本设计的圆柱弹簧疲劳试验机可适用于汽车电动撑杆压缩弹簧、汽车自吸锁扣拉伸弹簧以及其他 用途的压缩弹簧或拉伸弹簧的疲劳试验。
1 系统组成与工作原理
圆柱螺旋弹簧疲劳试验机组成结构示意如图 1 所示。
（1）机械系统。机械系统组成包括伺服电机、定位 轴、上板、移动板、滚珠丝杆、铝合金机架、调节脚下 板、导向圆柱、测试压缩弹簧、直线滑块、丝杆螺母、上 轴承座、行星减速机、下轴承座、脚轮和立板等。
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其中，P为容许负载转矩；m 为滚珠丝杆的支撑方式系数，这里 m=10；d 为丝杆轴螺纹内径，这里 d=17.5 mm；l 为负载作用点间距。将数据代入式（2），可得容许轴向负载 P=13 680 N。P跃5 000 N，满足要求。
第 35 卷 第 6 期 2017 年 11 月
佛 山 科 学 技 术 学 院 学 报（自 然 科 学 版） Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition）
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文章编号：1008-0171（2017）06-0029-06
圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计与实现
许安鹏
（佛山智能装备技术研究院，广东 佛山 528225）
摘要：弹簧疲劳寿命是对弹簧施加周期性的变载荷，在给定的失效条件下，所试弹簧达到的最大循环次数。本试验
机可用于拉伸弹簧或压缩弹簧的疲劳测试，通过拉压力传感器和位移传感器，实时保存并分析相关数据完成弹簧
的疲劳试验。通过对圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计，最终实现了试验样机的研制。