扭杆弹簧设计理论及其设备测控软件研究1.pdf

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1、 武汉理工大学硕士学位论文 结一章绪， 互 1 . 1 扭杆弹赞及扭黄设备的国内 外研究现状及最新技术 近年来国内、 外对扭杆弹簧设计理论、 方法和制造技术， 都进行了大量研究， 冉并取得了较大的成绩，现就其发展现状和关键技术进行介绍: 肠 1 . 1 . 1扭杆弹黄预扭理论研究形状及其最新技术 扭杆弹簧作为缓冲和储能元件， 具有单位储能大、 体积小、 便于加工等优点， 己广泛应用于各类机械、车辆、电器、仪表、 各种设备，以及日 用器具上。如精 密仪器和天平上的平衡弹簧、 汽车和装甲车辆悬架装置的悬架扭杆弹簧和稳定扭 杆弹簧( 太脱拉T 1 3 8 型和T 1 4 8 型车用扭杆) 。 可见扭

2、杆弹簧作为一个基础零件， 其应用范围在逐渐扩大。 扭杆弹簧工作时承受冲击变扭转载荷， 因此其材料必须选用高强度、 高屈服 极限和高疲劳极限的弹簧钢，目前国内外广泛用的材料有 4 5 C r N i M o V A. 5 0 C r V A . 6 0 S i 2 Mn、 6 0 S i 2 Mrl A , 6 0 S i 2 C r A , 6 5 S i 2 M n W A等弹簧钢材料。并且 进行强化处理，强化处理包括表面强化和预应力强化 ( 亦称强扭处理) 。 强扭处理是制造高强度扭杆弹簧的主要工艺措施之一， 可以实现高承载能力 和高疲劳寿命的目 标。 高强度扭杆弹簧具有较大的容许剪应力和

3、承载能力， 且在 使用中基本消除了残余变形。 匡卜匡1 几今毛几 九 八 为1 L 凡图 0 C C 强扭 ( 预扭) 就是热处理后将扭力杆按其工作时承受载荷的方向 强行扭转一 个 角 度( 强 扭 角) ， 使 扭力 杆 弹 簧 表 层的 剪 应 力 超 过 屈 服极 限T s 但 低于 强 度 极限 ， 使表层下部产生一个扭转塑性变形。 在 外加 扭矩的 作 用下， 扭力 杆横截面上 各点的 切应力T 和 切应变Y 的 关系 如 图1 . 1 所示。图中S 和B分别为材料的弹性极限点 ( 屈服点) 和强度极限点， 相 应的: 和T b 是材料的屈服应力和强度极限。 开始时， 各点的切应力随

4、外加扭矩的 增加而增大， 且与切应变保持线性关系， 截面上切应力和切应变的大小随各点的 武汉理工大学硕士学位论文 结一章绪， 互 1 . 1 扭杆弹赞及扭黄设备的国内 外研究现状及最新技术 近年来国内、 外对扭杆弹簧设计理论、 方法和制造技术， 都进行了大量研究， 冉并取得了较大的成绩，现就其发展现状和关键技术进行介绍: 肠 1 . 1 . 1扭杆弹黄预扭理论研究形状及其最新技术 扭杆弹簧作为缓冲和储能元件， 具有单位储能大、 体积小、 便于加工等优点， 己广泛应用于各类机械、车辆、电器、仪表、 各种设备，以及日 用器具上。如精 密仪器和天平上的平衡弹簧、 汽车和装甲车辆悬架装置的悬架扭杆弹簧

5、和稳定扭 杆弹簧( 太脱拉T 1 3 8 型和T 1 4 8 型车用扭杆) 。 可见扭杆弹簧作为一个基础零件， 其应用范围在逐渐扩大。 扭杆弹簧工作时承受冲击变扭转载荷， 因此其材料必须选用高强度、 高屈服 极限和高疲劳极限的弹簧钢，目前国内外广泛用的材料有 4 5 C r N i M o V A. 5 0 C r V A . 6 0 S i 2 Mn、 6 0 S i 2 Mrl A , 6 0 S i 2 C r A , 6 5 S i 2 M n W A等弹簧钢材料。并且 进行强化处理，强化处理包括表面强化和预应力强化 ( 亦称强扭处理) 。 强扭处理是制造高强度扭杆弹簧的主要工艺措施之

6、一， 可以实现高承载能力 和高疲劳寿命的目 标。 高强度扭杆弹簧具有较大的容许剪应力和承载能力， 且在 使用中基本消除了残余变形。 匡卜匡1 几今毛几 九 八 为1 L 凡图 0 C C 强扭 ( 预扭) 就是热处理后将扭力杆按其工作时承受载荷的方向 强行扭转一 个 角 度( 强 扭 角) ， 使 扭力 杆 弹 簧 表 层的 剪 应 力 超 过 屈 服极 限T s 但 低于 强 度 极限 ， 使表层下部产生一个扭转塑性变形。 在 外加 扭矩的 作 用下， 扭力 杆横截面上 各点的 切应力T 和 切应变Y 的 关系 如 图1 . 1 所示。图中S 和B分别为材料的弹性极限点 ( 屈服点) 和强度

7、极限点， 相 应的: 和T b 是材料的屈服应力和强度极限。 开始时， 各点的切应力随外加扭矩的 增加而增大， 且与切应变保持线性关系， 截面上切应力和切应变的大小随各点的 武汉理工大学硕士学位论文 位置之不同而变化，与其到轴心线的距离成正比，应力分布如图 1 .2 示，其中轴 表面的应力r 由 下式计算: M二 二， ，、 ，、 ，。 、。 ， L _ r=二丁 八甲:M组刀村册觉阴泄竹刀犯; w W 扭力杆的抗扭截面系数 d 扭力杆的直径。 ( W= 二d ) 1 6 当外加扭矩 M 继续加大，扭力杆表面剪应力达到屈服 点r ; ， 此时扭力杆所受的扭矩: 图 1 . 2 M = 二d z

8、 . 1 6 式 ( 1 -1 ) 因 扭力杆是一弹性体，要满足变形协调条件，即心部与外层之间互有牵制， 扭力杆表面的应力虽已达到屈服点， 但内部的材料还处于弹性变化范围以内， 因 此扭力杆还不会发生塑性变形. 随着扭转力矩的继续增大， 屈服区便由扭力杆的表层向心部发展直到其应力 趋 于 均 匀 分 布 ， 这 时 的 扭 转 力 矩 称 为 极 限 力 矩 M o 。 极 限 力 矩M , 与 屈 服 应 力 几 的 关系可用积分法求得: M ， 一 f 2 = 2 z sd z = 二d z . 1 2 式 ( 1 -2 ) 比较式 ( 1 -1 )和 ( 1 -2 ) : M P 二d

9、z,12 二 ， = ， : M , 矗 d z ,16 式 ( 1 -3 ) 从 而 可以 看出 : 扭 力 杆 表 面出 现 屈 服 应 力: ， 后， 扭 转 力 矩再 增 大 三 分 之 一， 扭矩就达到了承载能力的极限。 当扭力杆所受扭矩撤消后，由于扭转塑性变形不能 恢复原状，从而使杆中 剩余一部分应力，即残余应力。 如果所受扭矩越大， 力矩撤消后的残余应力也将 越大。 在扭矩的撤消过程中， 可以 理解为在扭杆上 加上一个与M 大小相等、 方 向相反的力矩， 此力矩产生的应力与应变将是线性关系。 则撤消后的残余应力可 由 加载应力和卸载应力叠加求得。 且表面残余应力的方向 和承受扭转

10、力矩时产生 的应力方向相反。 由 图1 . 1 可 知， 当 扭 矩 达 到城时， 扭 力 杆 只 达 到了 弹 性 极限 点S 。 如 果 外 加 扭矩继续增大，则扭转的工作点将超出 S ，如到达 A点， 此时应力z , 满足 : : : : ， 故 扭 力 杆的 弹 性 极 限 得 到了 提 高。 如果 到A点 后 继 续 加 载 使 扭 力 杆 到 达A ， 点， 则扭力 杆的 弹性曲 线将 进而移到C A ，位 置， 由 于T A : ， ， 从 而使扭力 杆获得了 更高的弹性极限。 显然， 外加扭矩产生的 应力必须小于T b ， 否则扭力杆 将会损坏。 以上讨论的是扭力杆因扭转塑性变

11、形而产生残余应力和材料的弹性极限得 于提高的原理， 主要是在强扭应力大于材料屈服极限而小于材料强度极限之间进 八行的， 出发点是改善截面应力均匀分布， 发挥这个截面上材料的承载能力。 这是 扭力杆预扭的理论基础，也是制定预扭规范的依据。 肠 1 . 1 . 2设备现状 目前国外先进工业国家的弹簧设备已普遍采用自 动检测手段、 检测结果数显 化和微机开控制技术。 国内弹簧预扭设备基本上都是国内 各企业自 己设计的， 仅上海有一套法国 进 口 设备， 但该设备不能显示扭力杆经预扭后的残余变形， 也不能满足目前工艺发 展的需要。 汽车悬架弹簧扭力杆的预扭设备作为专用设备，因工艺要求不断进步，其设 备

12、购置有困难. 企业即使自己设计后也往往无厂家加工制造， 且造价很高， 不能 显示预扭的残余变形曲线， 设备存在控制手段不适应、 手动操作加工的现象。 针 对上述原因， 通过与东风汽车公司合作， 我校自 行设计制造了一台汽车悬架扭力 杆预扭机床，它能够显示预扭的残余变形曲线。 5 1 . 2 制造业侧控系统和翻控软件的发展现状、发展方向 及其最 新技术 互 1 . 2 . 1制造业自 动化现状和发展方向 信息技术、电子技术、计算机技术、自 动化控制技术等高新技术融入机械制 造业，使机械产品和光、电、仪等技术结合在一起，形成机电一体化产品。机电 一体化技术 ( Me c h a t r o n i

13、 c s )能够对原有机械产品的性能、 功能提升，也能使产 品更加适应多元化和个性化的要求.先进的工业测控技术和 I P C . P L C . S C M ( S i n g l e C h ip M i c y o c o ) , M C U , D S P 等 测 控 机 应 用 于 加 T - 设 备， 形 成 嵌 入 式 系 统， 由 测控机根据事先设计好的测控软件控制加工过程和设备运行， 并在线图形 显示数据和状态， 使加工设备具有自 动化、 柔性化、高加工精度、 便于操作的优 点。随着人工智能、 信息处理技术的发展和高性能、高速度微处理器的出现， 机 床设备具有智能化的测控系统也

14、是完全可能的。 互 1 . 2 . 2侧控软件的发展方向 和最新技术 测控软件作为计算机软件的一个重要分支， 在随 着计算机软件技术发展而发 展。软件技术包括软件体系结构和组件开发技术的发展可谓日新月异。 武汉理工大学硕士学位论文 T A : : ， 故 扭 力 杆的 弹 性 极 限 得 到了 提 高。 如果 到A点 后 继 续 加 载 使 扭 力 杆 到 达A ， 点， 则扭力 杆的 弹性曲 线将 进而移到C A ，位 置， 由 于T A : ， ， 从 而使扭力 杆获得了 更高的弹性极限。 显然， 外加扭矩产生的 应力必须小于T b ， 否则扭力杆 将会损坏。 以上讨论的是扭力杆因扭转塑性

15、变形而产生残余应力和材料的弹性极限得 于提高的原理， 主要是在强扭应力大于材料屈服极限而小于材料强度极限之间进 八行的， 出发点是改善截面应力均匀分布， 发挥这个截面上材料的承载能力。 这是 扭力杆预扭的理论基础，也是制定预扭规范的依据。 肠 1 . 1 . 2设备现状 目前国外先进工业国家的弹簧设备已普遍采用自 动检测手段、 检测结果数显 化和微机开控制技术。 国内弹簧预扭设备基本上都是国内 各企业自 己设计的， 仅上海有一套法国 进 口 设备， 但该设备不能显示扭力杆经预扭后的残余变形， 也不能满足目前工艺发 展的需要。 汽车悬架弹簧扭力杆的预扭设备作为专用设备，因工艺要求不断进步，其设

16、备购置有困难. 企业即使自己设计后也往往无厂家加工制造， 且造价很高， 不能 显示预扭的残余变形曲线， 设备存在控制手段不适应、 手动操作加工的现象。 针 对上述原因， 通过与东风汽车公司合作， 我校自 行设计制造了一台汽车悬架扭力 杆预扭机床，它能够显示预扭的残余变形曲线。 5 1 . 2 制造业侧控系统和翻控软件的发展现状、发展方向 及其最 新技术 互 1 . 2 . 1制造业自 动化现状和发展方向 信息技术、电子技术、计算机技术、自 动化控制技术等高新技术融入机械制 造业，使机械产品和光、电、仪等技术结合在一起，形成机电一体化产品。机电 一体化技术 ( Me c h a t r o n

17、i c s )能够对原有机械产品的性能、 功能提升，也能使产 品更加适应多元化和个性化的要求.先进的工业测控技术和 I P C . P L C . S C M ( S i n g l e C h ip M i c y o c o ) , M C U , D S P 等 测 控 机 应 用 于 加 T - 设 备， 形 成 嵌 入 式 系 统， 由 测控机根据事先设计好的测控软件控制加工过程和设备运行， 并在线图形 显示数据和状态， 使加工设备具有自 动化、 柔性化、高加工精度、 便于操作的优 点。随着人工智能、 信息处理技术的发展和高性能、高速度微处理器的出现， 机 床设备具有智能化的测控系统

18、也是完全可能的。 互 1 . 2 . 2侧控软件的发展方向 和最新技术 测控软件作为计算机软件的一个重要分支， 在随 着计算机软件技术发展而发 展。软件技术包括软件体系结构和组件开发技术的发展可谓日新月异。 武汉理工大学硕士学位论文 T A : : ， 故 扭 力 杆的 弹 性 极 限 得 到了 提 高。 如果 到A点 后 继 续 加 载 使 扭 力 杆 到 达A ， 点， 则扭力 杆的 弹性曲 线将 进而移到C A ，位 置， 由 于T A : ， ， 从 而使扭力 杆获得了 更高的弹性极限。 显然， 外加扭矩产生的 应力必须小于T b ， 否则扭力杆 将会损坏。 以上讨论的是扭力杆因扭转塑

19、性变形而产生残余应力和材料的弹性极限得 于提高的原理， 主要是在强扭应力大于材料屈服极限而小于材料强度极限之间进 八行的， 出发点是改善截面应力均匀分布， 发挥这个截面上材料的承载能力。 这是 扭力杆预扭的理论基础，也是制定预扭规范的依据。 肠 1 . 1 . 2设备现状 目前国外先进工业国家的弹簧设备已普遍采用自 动检测手段、 检测结果数显 化和微机开控制技术。 国内弹簧预扭设备基本上都是国内 各企业自 己设计的， 仅上海有一套法国 进 口 设备， 但该设备不能显示扭力杆经预扭后的残余变形， 也不能满足目前工艺发 展的需要。 汽车悬架弹簧扭力杆的预扭设备作为专用设备，因工艺要求不断进步，其设

20、 备购置有困难. 企业即使自己设计后也往往无厂家加工制造， 且造价很高， 不能 显示预扭的残余变形曲线， 设备存在控制手段不适应、 手动操作加工的现象。 针 对上述原因， 通过与东风汽车公司合作， 我校自 行设计制造了一台汽车悬架扭力 杆预扭机床，它能够显示预扭的残余变形曲线。 5 1 . 2 制造业侧控系统和翻控软件的发展现状、发展方向 及其最 新技术 互 1 . 2 . 1制造业自 动化现状和发展方向 信息技术、电子技术、计算机技术、自 动化控制技术等高新技术融入机械制 造业，使机械产品和光、电、仪等技术结合在一起，形成机电一体化产品。机电 一体化技术 ( Me c h a t r o n

21、 i c s )能够对原有机械产品的性能、 功能提升，也能使产 品更加适应多元化和个性化的要求.先进的工业测控技术和 I P C . P L C . S C M ( S i n g l e C h ip M i c y o c o ) , M C U , D S P 等 测 控 机 应 用 于 加 T - 设 备， 形 成 嵌 入 式 系 统， 由 测控机根据事先设计好的测控软件控制加工过程和设备运行， 并在线图形 显示数据和状态， 使加工设备具有自 动化、 柔性化、高加工精度、 便于操作的优 点。随着人工智能、 信息处理技术的发展和高性能、高速度微处理器的出现， 机 床设备具有智能化的测控系

22、统也是完全可能的。 互 1 . 2 . 2侧控软件的发展方向 和最新技术 测控软件作为计算机软件的一个重要分支， 在随 着计算机软件技术发展而发 展。软件技术包括软件体系结构和组件开发技术的发展可谓日新月异。 武汉理工大学硕士学位论文 软件体系结构是软件开发和系统组织的原则，集中反映软件的设计思想， 愈 来愈强调整体观念、 协作处理和集成化， 以实 现数据共享、 跨进程操作、 支持分 布处理和系统开放为主要考虑目 标。当前，客户/ 服务器 ( C / S )结构由于具有开 放、互操作和信息共享及支持功能扩展的优点，己成为软件体系结构的主流。 作为解决软件重用和软件共享问题的软件开发技术在朝组件

23、架构方向发展， 其核心是遵循一定的开发模型和准则，开发具有互操作能力、对使用环境透明、 与运行平台独立的组件。当前，主流的模型和技术规范有微软公司的 C O M ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) / D C O M ( d i s t r i b u t e d c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) 和O M G 组 织的C O R B A ( c o m m o n o b j e c t r e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e )

24、. C O M / D C O M是 将 面向 对象和分布式两大技术相结合， 而具体形成具有一定的软件组件的开发标准 和规范。 由O MG组织的C O R B A也是为解决组件对象之间通信和互操作而提供 的一个公共的基础性框架和应用开发的框架， 成为异构环境、 分布式、 可重用组 件集成的另一工业标准。 当 1 . 3本文工作的目的、内容及特点 从查阅的国内外相关领域的文献资料看出， 在国内 涉及扭杆弹簧预扭工艺和 设备技术的文献比较少且技术不完整。目 前国内虽然已 有汽车厂家生产扭杆弹 簧， 但由于没有充分及系统的扭力杆强度模型的理论支持， 在扭力杆的形状设计 和预扭工艺方面大都是从国 外进

25、口 的， 缺乏一套较全面的经国内企业充分消化的 系统的扭杆弹簧设计与制造技术。 本文就是针对这一现状， 结合科研项目， 应用 现代设计理论、 方法和制造技术， 对扭力杆弹簧的结构设计、 制造工艺、 制造设 备进行了比较深入的分析和介绍， 并对其关键技术进行了深入的理论研究。 一方 面， 通过建立扭力杆预扭强度模型，应用弹塑性理论，研究了弹簧材料预扭强化 后的 残余变形计算和变截面杆扭转的应力集中现象， 以期能在扭力杆形状设计和 预扭工艺方面给予指导; 另一方面， 通过对汽车扭力杆预扭专用机床的测控系统 和 预扭工艺 特点 进行分析， 研究基于P C 的 机电 一体化测控技术与工业测控软件 技术

26、， 并在此基础上， 针对己开发的预扭机床测控系统进行改进，以 提高预扭设 备的加工精度。也为今后这两方面的研究进行技术探讨。 本文主要内容包括以下几个方面: 1 .在阐述预扭原理的基础上，运用弹、 塑性力学的强度理论建立扭力杆预扭应 变量、预扭度、预扭载荷和最后残余变形四者之间的数学关系; 2 .采用平截面法、复合强度理论、 H e r tz理论和弹性半平面问题建立单齿的弯 曲、接触挤压变形模型，并结合概率统计方法，分析齿距误差分布不均时齿 的受力变形， 从理论上给出 花键承载能力与加工精度之间在数值方面的关系 及算法流程; 3 .针对预扭时扭杆过渡部分的应力集中现象， 利用变直径圆杆扭转的弹

27、塑性理 论，建立集中应力方程，并用数理方程的分离变量法讲行偏微分方程求解 武汉理工大学硕士学位论文 软件体系结构是软件开发和系统组织的原则，集中反映软件的设计思想， 愈 来愈强调整体观念、 协作处理和集成化， 以实 现数据共享、 跨进程操作、 支持分 布处理和系统开放为主要考虑目 标。当前，客户/ 服务器 ( C / S )结构由于具有开 放、互操作和信息共享及支持功能扩展的优点，己成为软件体系结构的主流。 作为解决软件重用和软件共享问题的软件开发技术在朝组件架构方向发展， 其核心是遵循一定的开发模型和准则，开发具有互操作能力、对使用环境透明、 与运行平台独立的组件。当前，主流的模型和技术规范

28、有微软公司的 C O M ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) / D C O M ( d i s t r i b u t e d c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) 和O M G 组 织的C O R B A ( c o m m o n o b j e c t r e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) . C O M / D C O M是 将 面向 对象和分布式两大技术相结合， 而具体形成具有一定的软件组件的开发标准 和规范。 由O M

29、G组织的C O R B A也是为解决组件对象之间通信和互操作而提供 的一个公共的基础性框架和应用开发的框架， 成为异构环境、 分布式、 可重用组 件集成的另一工业标准。 当 1 . 3本文工作的目的、内容及特点 从查阅的国内外相关领域的文献资料看出， 在国内 涉及扭杆弹簧预扭工艺和 设备技术的文献比较少且技术不完整。目 前国内虽然已 有汽车厂家生产扭杆弹 簧， 但由于没有充分及系统的扭力杆强度模型的理论支持， 在扭力杆的形状设计 和预扭工艺方面大都是从国 外进口 的， 缺乏一套较全面的经国内企业充分消化的 系统的扭杆弹簧设计与制造技术。 本文就是针对这一现状， 结合科研项目， 应用 现代设计理

30、论、 方法和制造技术， 对扭力杆弹簧的结构设计、 制造工艺、 制造设 备进行了比较深入的分析和介绍， 并对其关键技术进行了深入的理论研究。 一方 面， 通过建立扭力杆预扭强度模型，应用弹塑性理论，研究了弹簧材料预扭强化 后的 残余变形计算和变截面杆扭转的应力集中现象， 以期能在扭力杆形状设计和 预扭工艺方面给予指导; 另一方面， 通过对汽车扭力杆预扭专用机床的测控系统 和 预扭工艺 特点 进行分析， 研究基于P C 的 机电 一体化测控技术与工业测控软件 技术， 并在此基础上， 针对己开发的预扭机床测控系统进行改进，以 提高预扭设 备的加工精度。也为今后这两方面的研究进行技术探讨。 本文主要内

31、容包括以下几个方面: 1 .在阐述预扭原理的基础上，运用弹、 塑性力学的强度理论建立扭力杆预扭应 变量、预扭度、预扭载荷和最后残余变形四者之间的数学关系; 2 .采用平截面法、复合强度理论、 H e r tz理论和弹性半平面问题建立单齿的弯 曲、接触挤压变形模型，并结合概率统计方法，分析齿距误差分布不均时齿 的受力变形， 从理论上给出 花键承载能力与加工精度之间在数值方面的关系 及算法流程; 3 .针对预扭时扭杆过渡部分的应力集中现象， 利用变直径圆杆扭转的弹塑性理 论，建立集中应力方程，并用数理方程的分离变量法讲行偏微分方程求解 武汉理工大学硕士学位论文 分析集中应力与形状设计之间的关系;

32、4 .应用有限元法 ( F E M) 和有限元工程软件， 分析变直径圆杆弹塑性扭转的应 力集中，得出最大应力随过渡半径变化的关系曲线; 5 .分析扭力杆预扭机床测控系统的结构组成， 并在此基础上进行系统软、 硬件 设计和工艺测控算法改进，最后编写基于 D O S操作平台的扭力杆预扭机床 测控系统软件。 在本论文的研究和系统设计过程中，体现了如下特点: 力学、数学、机械学、 计算机的综合应用;最新工程设计、分析软件和编程 工具软件的应用;最新设计方法和软件工程技术的应用。 肠 1 . 4关健技术 1 .强度理论 将弹、 塑性力学和工程数学相结合， 用于分析机械零件扭力杆预扭的强度问 题， 用数学

33、方程表示预扭变形的物理现象， 以便精确指导最佳形状设计和工艺参 数确定。 其中变直径圆杆扭转的应力协调方程为二阶椭圆型偏微分方程，目 前可 用分离变量法，求得含有贝塞尔级数的近似解析解; 也可用有限差分法、 有限元 法和加权余数法求其数值近似解。 2 .实时控制技术 基于D O S 操作平台的测控系统，具有实时控制技术的实时性、多任务性、 并发性和可靠性特征， 其核心技术是微机中断技术和外设端口 读写技术。 在本预 扭机床测控系统中，把执行软中断 We的中断服务设为采集扭矩:而扭转角的 采集则是通过读写D I / D O板上的端口0 x 2 0 8 , 0 x 2 0 9 来实 现的。 3 .

34、机电一体化技术 机械、电子、 控制、 光学、 信息技术和计算机技术相互交叉融合的机电一体 化技术的应用， 大大地提高了 机床的自 动化、 智能化程度. 机电一体化产品的性 能主要决定于微处理器性能、传感器水平、测控算法的设计和系统模块化水平。 预扭机床的关键技术是测控系统的机械接口、电气接口、动力接口、环境接口、 软件模块化接口水平和测控算法的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 分析集中应力与形状设计之间的关系; 4 .应用有限元法 ( F E M) 和有限元工程软件， 分析变直径圆杆弹塑性扭转的应 力集中，得出最大应力随过渡半径变化的关系曲线; 5 .分析扭力杆预扭机床测控系统的结构组成， 并

35、在此基础上进行系统软、 硬件 设计和工艺测控算法改进，最后编写基于 D O S操作平台的扭力杆预扭机床 测控系统软件。 在本论文的研究和系统设计过程中，体现了如下特点: 力学、数学、机械学、 计算机的综合应用;最新工程设计、分析软件和编程 工具软件的应用;最新设计方法和软件工程技术的应用。 肠 1 . 4关健技术 1 .强度理论 将弹、 塑性力学和工程数学相结合， 用于分析机械零件扭力杆预扭的强度问 题， 用数学方程表示预扭变形的物理现象， 以便精确指导最佳形状设计和工艺参 数确定。 其中变直径圆杆扭转的应力协调方程为二阶椭圆型偏微分方程，目 前可 用分离变量法，求得含有贝塞尔级数的近似解析解

36、; 也可用有限差分法、 有限元 法和加权余数法求其数值近似解。 2 .实时控制技术 基于D O S 操作平台的测控系统，具有实时控制技术的实时性、多任务性、 并发性和可靠性特征， 其核心技术是微机中断技术和外设端口 读写技术。 在本预 扭机床测控系统中，把执行软中断 We的中断服务设为采集扭矩:而扭转角的 采集则是通过读写D I / D O板上的端口0 x 2 0 8 , 0 x 2 0 9 来实 现的。 3 .机电一体化技术 机械、电子、 控制、 光学、 信息技术和计算机技术相互交叉融合的机电一体 化技术的应用， 大大地提高了 机床的自 动化、 智能化程度. 机电一体化产品的性 能主要决定于

37、微处理器性能、传感器水平、测控算法的设计和系统模块化水平。 预扭机床的关键技术是测控系统的机械接口、电气接口、动力接口、环境接口、 软件模块化接口水平和测控算法的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章扭力杆预扭强化原理及强化工艺参数的研究 汽车悬挂扭力杆是汽车前桥的一个承载部分，汽车的工作环境使它的两端 承受大小不断变化的动扭矩作用，为了增强扭力杆的承载能力，扭力杆一般常 用的弹簧钢材料有碳钢、6 5 Mn , 5 0 C r V A , 6 0 S i Mn 等，在使用之前要经过预扭 强化工艺。由 于缺乏精确的理论计算，实际操作上常采用试扭的办法预扭，或 采用经验的预扭工艺参数。因此有必要

38、进行理论上的探索，以指导生产工艺参 数的确定。 肠 2 . 1预扭强化基本原理 互 2 . 1 . 1强化工作模型 汽车悬挂扭力杆的工作模型为圆柱体扭转问题， 首先给出圆截面杆在纯扭转力矩 T作用下时， 扭矩T三者之间的关系: 如下图2 . 1 所示。 扭 转角B r a d 、剪 应力: 、 B=3 2 T L 刀才 ， G 1 6 T 耐 /kr) 在扭力杆的两端加载扭矩 T ，则在扭力 杆的内部产生相应的纯剪切应力， 开始由于 扭拒 T比较小，扭力杆的变形处于弹性阶 段， 其中 最 大 应 力r -位 于 最 大 半 径 上。 随 着扭拒T的增大， 杆的应力公 也在增大，当 扭 拒T ?

39、 兀 = 0 .5 X R r ., ( r . 为 塑 性 应 变 应力 ， R为扭力杆的半径) 时， 扭力杆部分进入塑 性阶段， 表层应力超过弹性极限， 表层为塑 性区，而心部材料因应变、 应力较小，故小 T S 卜一一二 今R r 图2 . 3 于 某 一 半 径 处 的 材 料 仍 处 在 弹 性 范 围 内 成 为 弹 性 变 形 区( 为 弹 性 、 塑 性 变 形 区的分界 点) ， 此时的 最大 应力T m a x 之 t ， 随 着T 的 继续 增加， 剪应力T 达 到T s 武汉理工大学硕士学位论文 第二章扭力杆预扭强化原理及强化工艺参数的研究 汽车悬挂扭力杆是汽车前桥的一

40、个承载部分，汽车的工作环境使它的两端 承受大小不断变化的动扭矩作用，为了增强扭力杆的承载能力，扭力杆一般常 用的弹簧钢材料有碳钢、6 5 Mn , 5 0 C r V A , 6 0 S i Mn 等，在使用之前要经过预扭 强化工艺。由 于缺乏精确的理论计算，实际操作上常采用试扭的办法预扭，或 采用经验的预扭工艺参数。因此有必要进行理论上的探索，以指导生产工艺参 数的确定。 肠 2 . 1预扭强化基本原理 互 2 . 1 . 1强化工作模型 汽车悬挂扭力杆的工作模型为圆柱体扭转问题， 首先给出圆截面杆在纯扭转力矩 T作用下时， 扭矩T三者之间的关系: 如下图2 . 1 所示。 扭 转角B r

41、a d 、剪 应力: 、 B=3 2 T L 刀才 ， G 1 6 T 耐 /kr) 在扭力杆的两端加载扭矩 T ，则在扭力 杆的内部产生相应的纯剪切应力， 开始由于 扭拒 T比较小，扭力杆的变形处于弹性阶 段， 其中 最 大 应 力r -位 于 最 大 半 径 上。 随 着扭拒T的增大， 杆的应力公 也在增大，当 扭 拒T ? 兀 = 0 .5 X R r ., ( r . 为 塑 性 应 变 应力 ， R为扭力杆的半径) 时， 扭力杆部分进入塑 性阶段， 表层应力超过弹性极限， 表层为塑 性区，而心部材料因应变、 应力较小，故小 T S 卜一一二 今R r 图2 . 3 于 某 一 半 径

42、 处 的 材 料 仍 处 在 弹 性 范 围 内 成 为 弹 性 变 形 区( 为 弹 性 、 塑 性 变 形 区的分界 点) ， 此时的 最大 应力T m a x 之 t ， 随 着T 的 继续 增加， 剪应力T 达 到T s 武汉理工大学硕士学位论文 的 范 围 不 断 扩 大 ， 设 在。 一 0 时T p = Z S ， 此 时 的 应 力 分 布 如图2 .2 所 示， 可 用 下 式表示: 二: 当 r p _ r ? 0 式 ( 2 - 1 - 2 ) g (, ) R _ r : r!IJeel.、 一- r 其中g ( r ) 如图2 .3 所 示。 互 2 . 1 . 2预

43、扭强化基本原理 下面以数学和力学相结合的方法阐述预扭理论及为何预扭能在施扭方向上 提高承载能力， 如图2 . 1 所示的扭杆， 其工作长度为L ， 直径为d ， 施加一扭矩 T 。当扭角为B 时，半径; 处的 应变Y 为 一 鲁 在弹性范围内r 式 ( 2 - 1 - 4 ) = y G ( G为剪切弹性模量) 。 预扭加载后沿半径的应力和应变如图2 .4 所示， F A为分界点F 处的剪应力， A即 弹 性极限点; O A为弹 性变形区的 应力 分布线; 表 层G的 应力为r , ; A B 为塑性变形区的应力分布线。 根据平面假设， 仍可假定不变，因此横坐标亦可用Y 表示。 应 变 与 半

44、 径 的 线 性 变 化 关 系 : 一 愈 L 加载时表层G处 应力由0 增至T 4 B ， 而心部某点H由0 增至Z K 1 . 相应点 应 变增量为Y 1 x ; 和Y O B 。 武汉理工大学硕士学位论文 的 范 围 不 断 扩 大 ， 设 在。 一 0 时T p = Z S ， 此 时 的 应 力 分 布 如图2 .2 所 示， 可 用 下 式表示: 二: 当 r p _ r ? 0 式 ( 2 - 1 - 2 ) g (, ) R _ r : r!IJeel.、 一- r 其中g ( r ) 如图2 .3 所 示。 互 2 . 1 . 2预扭强化基本原理 下面以数学和力学相结合的方

45、法阐述预扭理论及为何预扭能在施扭方向上 提高承载能力， 如图2 . 1 所示的扭杆， 其工作长度为L ， 直径为d ， 施加一扭矩 T 。当扭角为B 时，半径; 处的 应变Y 为 一 鲁 在弹性范围内r 式 ( 2 - 1 - 4 ) = y G ( G为剪切弹性模量) 。 预扭加载后沿半径的应力和应变如图2 .4 所示， F A为分界点F 处的剪应力， A即 弹 性极限点; O A为弹 性变形区的 应力 分布线; 表 层G的 应力为r , ; A B 为塑性变形区的应力分布线。 根据平面假设， 仍可假定不变，因此横坐标亦可用Y 表示。 应 变 与 半 径 的 线 性 变 化 关 系 : 一

46、愈 L 加载时表层G处 应力由0 增至T 4 B ， 而心部某点H由0 增至Z K 1 . 相应点 应 变增量为Y 1 x ; 和Y O B 。 武汉理工大学硕士学位论文 卸载后表层应力沿B C 下降到C点， B C 近似平行O A ， 应力减少量为一 、. ， 应变减少量为一 Y c c - o 卸载后表 层有负应力一 T G C ( 一 、- T C B - r B C ) 及正应变 Y r二( Y o c - = Y 二一 Y a r ) ， 与表层有塑性残余变形的推论相符。 卸 载 后， 心部H点 应 力 沿O A由I 点 下降 到K 点， 应 力 减 少 量为几， 应 变 由 Y o

47、 。 下降 到Y O K ， 应 变 减 少 量为Y H K 0 卸 载 后心 部( H点 为 代表) 有正 应力: H J 及正应变Y O K 。 卸载时，扭力杆弹性变形的心部趋向于消除应力，恢复原状，但恢复过程 受到表层塑性变形的阻止，因而心部有正向残余应力和应变。卸载后心部和表 层的应力状态见图2 .5 a ， 其中必有一个零应力点O ( 半径为 形区。设O Q的 应力方程为一 r = f ( r ) , O P O的 应力方程为 r o ) ， 且必在塑性变 r = (o ( r ) ， 则有: 一 、 1 = ， ( ， .2 n r 2d r M Z = f ,(p (r ) -

48、2 rm d r 式( 2 - I - 5 ) 因 卸 载 后 扭 力 杆 处 于 平 衡 状 态 ， 故 艺M= 0 ， 则 一 M I + M 2 一 f (r ) - 2 n r 2d r + r 9p (r ) . 2 7(r 2 一 0式 (2 - 1 -6 ) 卸载后扭力杆截面残余应力按Q O P O分布， 在此基础上再次承载所施加的 图2 . 5 扭力杆截面应力分布 a .预扭卸载 b . 再次承载应c . 合成应力 应力 ( 图2 . 5 b ) 与预加的残余应力相迭加，合成应力为K O -I M O ( 图2 .5 c ) . 由图2 . 5可知， 正 是由 于 心 部正 应

49、力的 增加 和表 层最大应力 ( r m a z ) 的 减 小， 提高了 容 许 最大 应 力T m u ， 且 充 分厅 发 和 利 用了 心部 材 料的 承 载 潜力 ， 从 而提高了扭杆总的承载能力。 武汉理工大学硕士学位论文 2 . 2用弹塑性理论阐述预扭强化 肠 2 .2 .1应力函救法探讨 下面利用应力函数探讨扭力杆的预扭强化问题，坐标选取如图2 .6 所示。扭 力 杆在弹 性变形 状态下， 其应力函 数0 满足 协调方程t+ 3 1 ， 即 有: 塑 十 塑 = - 2 G 。式( 2 -2 - 1 ) a x 妙- 铲少= - 2 G a ( 其中G 为剪切模量，“ 为扭杆单位长度上截面的相对扭转角) 周边上满足边界条件犷 = 0 若已知，则相应横截面上的剪应力分别为: T二 一 a 0J r。 一 a o . 式 ( 2 - 2 - 2 ) 对应的扭矩丁 与o 的关系为: T 一 2 价“*ay : 表 示 横 截 面 积 ，式 2 -2 -3 ) 扭杆在塑性状态下，其应力函数满足下列关系式: 洲 、 掣丫 一 : : (其 中 : 为 塑 性 屈 服 应 力 。式 、 2 -2 -4