一种测量弹簧弹力装置的设计及应用

许勇军， 吴森利， 张丹， 张会芳

（中国航空工业标准件制造有限责任公司，贵阳 550014）

0 引言

我公司是生产紧固件的专业化生产厂家，近年来制造了多种大规格的压缩弹簧，其中一种弹簧外径为φ181 mm，内径为φ165 mm，主要技术要求为弹簧在压剩至1.8 mm时，保证其弹力值为P=（45+10）N。由于该弹簧外形尺寸较大，公司现有的普通小型拉压弹簧测力仪无法对其弹力值进行检测，若购买大型的测力仪则需十几万元，还必须定做，故公司决定自行设计制造一个专用的测量工装，来测量此类弹簧的弹力值。

1 方案设计

1.1 方案原理分析

该方案的设计以我公司原有的普通小型弹簧拉压测力仪的测力原理为基础，构造了一个组合装置，采用等效测量的方法，将弹簧拉压测力仪的工作台面积放大，以达到可测量大面积压缩弹簧弹力值的效果。

原有弹簧拉压测力仪的结构简图如图1。

图1 原有弹簧拉压测力仪的结构简图

其工作原理为：将弹簧水平立于下工作台上，弹簧的轴线与工作台面垂直。通过转动摇臂对上工作台施加一个下压的力，并使其与弹簧的一端面接触，弹簧在上、下工作台的挤压下产生弹性变形，当被压缩到我们要求达到的行程时，弹簧反向施加给工作台上的力会通过传感装置在数显箱上的力值读数表上显示出来，此时读数表上显示的数值即为弹簧在此行程下所受的压力。但由于普通小型弹力测量仪的工作台两侧有导程柱，故其所测量弹簧的面积有限，且不能轻易增大其工作台面积，除非购置更大型的测量仪。

1.2 装置设计

由弹簧拉压测力仪的工作原理，我们设计了一套简单的组合装置。利用该套装置即可间接地测量出压缩弹簧在额定的条件下所受的弹力值。

该装置由2个平板（底座、压板）、4个支架、4个固定套、4块百分表及4根高度测杆组合而成，见图2。

图2 组合装置

由于压板既是施力物也为承载物，所以要求压板在使用过程中不能产生变形，结合实际情况我们可以选用不同规格、不同材料的板材，这里我们选用5 mm的钢板。在钢板上设计制作了4个导程孔，便于与后面设计的高度测杆一同使用，以达到快速调整定位的效果。结构简图见图3。

同理，底座作为承载物在使用过程中不能产生变形，因此，我们也选择用5 mm的钢板来制作。为使百分表探头能穿过底座与压板接触，我们在底座上加工了4个φ9 mm的孔，以便于百分表的探头能检测到弹簧受力后的压剩尺寸及压剩尺寸是否均匀。其结构简图见图4。

为了提高检测精度，对底座及压板与压缩弹簧的接触面需进行精磨，以保证一定的平面度，这也是保证与零件接触时的测量高度能达到所要求精度的条件之一。

为固定4个百分表，我们在底座的下方设计了4个固定套，将4个固定套焊接在底座4个φ9 mm孔的正下方，并在固定套上设计了一个螺纹孔，用4个普通螺钉即可对百分表进行固定使用，这样的设计便于组装、拆卸百分表。其结构见图5。

图3 压板结构简图

图4 底座结构简图

图5 固定套结构简图

为了方便观看到百分表上的数值，还需将底板支高到可观看到的高度，因此，在底板上增加4个支架，并通过螺纹形式与底座连接，其结构简图见图6。

图6 支架结构简图

为了达到快速定位找正的目的，我们还设计了4根高度测杆，其高度比被测弹簧的高度小2～3 mm即可，其直径比压板上所设计的导程孔的直径小0.2～0.4 mm即可，这样可使得在弹簧上放上压板后，高度测量杆能通过压板上的导程孔立于底座上而不倒，其结构简图见图7。

1.3 测力装置的工作原理

图7 高度测杆结构简图

先将支架安装在底座的4个螺纹孔上，再将安装上支架的底座放于工作台上，用钢球或高度尺等工具找平。然后将弹簧水平放置在底座上，此时目测弹簧是在底座的正中间。将压板水平放置在弹簧的正上方并边角对齐底座，将高度测杆穿过压板上的4个导程孔放置在底座上，此时在压板上放置重物，通过改变重物的大小来调整下压力，通过移动零件上方放置的重物的位置，并结合高度测杆进行初定位找正，当目测到4个高度测杆的末端将要从压板上露头与压板上端面齐平时，重物重心即在零件中间。之后，通过块规进行精确找正，通过用块规测量上压板与底座之间的各边缝隙来微调所施加的重物，当上压板与底座之间各边缝隙达到所要求的弹簧压剩高度时停止增加重物的重量。这时将弹簧上所放的所有重物（包括压板）放在弹簧拉压测力仪上测量，此时弹簧拉压测力仪上显示的读数即为压缩弹簧所受到的弹力值。

2 对比验证

为验证该套弹簧测力装置应用的可行性，我们用既可在弹簧拉压测力仪上直接测出弹力值，又可在该套弹簧测力装置上测力的某零件进行了对比实验。

1）将某压缩弹簧放在弹簧拉压测力仪上，连续进行5次测力，当其压剩高度为1.5 mm时，所得的弹力值如表1。

表1 弹簧拉压测力测得的弹力值A N

2）用同一零件放在该套弹簧测力装置上按上述原理连续进行5次测力，当压剩高度为1.5 mm时，测得的弹力值如表2。

表2 新装置测得的弹力值B N

3）数据统计分析。我们利用数理统计的有关假设检验论据对数据进行分析（取显著水平α=0.01），弹簧拉压测力仪上测得的弹力值的样本方差

同理，用弹簧测力装置测得的弹力值的样本方差：SB2≈0.000 75，由此可得SA2/SB2≈0.67。

通过对上述两种方法测得的弹力值的数理统计分析，得出 0.043＜SA2/SB2＜23.2，再由数理统计相关理论，我们可以得出这两种方法测得的弹力值无显著差异，具有可互换性。因此我们认为该弹簧测力装置能满足压缩弹簧的弹力值测力使用要求。

3 结语

通过对比普通小型弹簧拉压测力仪的测力原理，设计了该套弹力测量装置，并且运用数理统计分析的有关理论对用两种测力装置测得的数据进行了统计分析，得出的结论是我们所设计的该套弹簧测力装置的应用是可行的，用其对压缩弹簧的弹力进行测量与用弹簧拉压测力仪进行测量是等效的。

当压缩弹簧的额定弹力值在弹簧拉压测力仪的量程范围内，但面积超过了弹簧拉压测力仪工作台面积时，均可根据实际情况制作这样一套装置来测量弹簧的弹力值。

该套装置解决了研制初期需大量投入资金的问题。其结构简单，取材方便，造价低廉，在为企业节约大量资金的同时，又能方便地检测出较大面积弹簧的弹力值，能够适应中小企业在产品研制阶段及今后中小批量的该类产品的弹力值检测。

［1］ 盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计［M］.北京:高等教育出版社，2008.