扭杆弹簧及扭杆弹簧悬架设计的新方法.pdf

现代制造工程2003( 1)扭杆弹簧及扭杆弹簧悬架设计的新方法□高海波邓宗全胡明王少纯摘要针对现有扭杆弹簧及扭杆弹簧悬架设计方法上存在的不足,提出一种新的设计方法,并用Visual Basic编写相应的计算程序。与现有的计算方法相比,该计算方法简单易行,计算结果可靠。关键词:扭杆弹簧扭杆弹簧悬架迭代中图分类号: TH135 文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2003)01—0055—03 一、前言扭杆弹簧和扭杆弹簧悬架越来越多地应用于各种车辆和机构中,是因为其具有以下优点:1)单位质量扭杆弹簧所贮存的能量比其他种类的弹性元件(如钢板弹簧、螺旋弹簧)大,即当能容量相同时,扭杆弹簧具有较小的质量,可节省弹簧材料;2)应用扭杆弹簧可使非簧载质量减小,有利于汽车行驶平顺性的提高;3)和螺旋弹簧相比,它结构紧凑,便于布置;4)扭杆弹簧与固定臂和调节臂的连接结构简单,在保养中一般无维护要求;5)扭杆弹簧一端与调节臂相连,可以通过不同的装配预扭角实现车身在一定范围内的高度调节。扭杆弹簧按其断面形状可分为圆形断面、环形断面、矩形断面及组合式断面等,按布置形式可分为横向布置和纵向布置。本文只讨论圆形断面扭杆弹簧横向布置时的设计方法。 二、现有的设计方法图1所示为一扭杆弹簧悬架简图,图中P为作用图1 扭杆弹簧悬架于扭臂端的载荷,R为扭臂长度,f为扭臂端的变形量,α为在载荷P作用下扭臂中心线与基准线的夹角,β为无载荷时扭臂中心线与基准线的夹角。其中f及α、β都是从一个基准线测量,此基准线与所加之力垂直,并经过扭杆弹簧中心。各量相对基准线的关系,与图中所示相符者为正,否则为负。,然后根据计算求出扭杆圆形断面直径d和扭臂长度R,以保证所需要的悬架刚度C。圆形断面扭杆弹簧变形贮存的位能U为:U=0. 25τ2mLAΠG(1)???????????式中,τm为材料的最大许用剪切应力;A为扭杆弹簧的断面面积;G为材料的扭转弹性模数。悬架的变形功W为:W=∫fΣ0Cfdf(2)?????????????由于设计进行到此步骤尚不知道悬架的刚度,可用已选定的平均刚度来计算,即:W=Cpf2ΣΠ2(3)?????????????式中,fΣ为悬架的总变形,是静变形fc和动变形fd之和。由于扭杆弹簧变形贮存的位能等于悬架变形功,因而可以求出扭杆弹簧的断面面积A,从而求出圆形断面扭杆弹簧的直径:d=1. 59fΣτmCpGL(4)???????????扭臂长度R应根据扭杆弹簧允许的扭转角和悬架的变形来确定,允许的扭转角φ取决于所选的最大许用应力τm和扭杆弹簧的几何尺寸。φ=2τmLGd(5)???????????????为简化计算,在决定扭臂长度R时,做出两个假设,每一个假设是当作用静载荷时,扭臂处于水平位置,第二个假设是当扭角不大时φdΠφc=fdfc。根据上述假设,扭杆弹簧的动态扭角φd可以表示为:φd=fdΠfc1 +fdΠfcφ(6)????????????则:φc=φ-φd(7)????????????对于扭臂长度R,可利用三角形的几何关系求出两个值,通常取两者的算术平均值,即:R=12(fdsinφd+fcsinφc)(8)?????????,也可采用SAE推荐的线图求解法。由图1可以得出:P=CsRα+βcosα=CsRC1(9)??????????55设备设计与维修? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ,Cs为扭杆弹簧的扭转角刚度。扭杆弹簧悬架的扭转刚度C为:C=CsR21 +(α+β)tanαcos2α=CsR2C2(10)?????扭杆弹簧悬架在静载荷P的作用下,任意一点的折算静变形f=PΠC,则:f=R(α+β)cosα1 +(α+β)tanα=RC3(11)??????用fΠR为横坐标和不同的β值,可作出系数C1、C2和C3的线图,如图2、图3和图4所示,下面说明线图的具体用法。图2C1与fΠR的关系曲线图3C2与fΠR的关系曲线图4C3与fΠR的关系曲线 根据扭杆弹簧悬架的性能要求,给出如下主要参数:扭杆弹簧断面形状;扭臂长度R;静载荷P;悬架刚度C;无负荷时扭臂的力作用点与水平位置的距离f1;最大变形f2;许用应力τ和扭转弹性模数G。现代制造工程2003( 1)根据以上数据可以得出f,再由式(11)求出C3。由f1ΠR和C3可从图4中得出β值,再由f1ΠR和β值可从图3中得出C2,从而可以求出扭杆弹簧的扭转角刚度Cs。根据f2ΠR可以求出α,从而得出φmax和Mmax,最后根据相应的公式就可以算出扭杆弹簧的直径d和有效长度L。 三