现今车辆悬挂中的弹簧有钢板弹簧、螺旋弹簧、橡胶弹性部件、油气弹簧和扭杆弹簧。
1.钢板弹簧
钢板弹簧绝大多数应用在载重汽车上,只有一小部分小型轿车用到它。它的优点在于不仅能向各个方向传递力,而且还能传递起动和刹车力矩(在刚性车轴上它往往是车轴纵向唯一的引导部件)。除此之外,它能较好地将力传递到车架或车身上,并且它的特征曲线具有渐进性。钢板弹簧的缺点是,紧贴在一起的弾簧片之间产生很大的摩擦,这种摩擦随时间不断改变;裂隙腐蚀作用会降低它的使用寿命。这方面的解决办法是在弹簧之间加入塑料片。摩擦力的大小与弹簧片的层数有关,而随之产生的摩擦阻尼与变形速度不成比例,所以优化措施是尽量减少弹簧片的层数。图3.4.1为钢板弹簧简图。
图3.4.1 钢板弹簧简图
为了在宽度保持不变的情况下使所有截面上的扭矩都相同,钢板弹簧的两边必须弧形轧压,求厚度h0的公式为
任意一处x1的厚度hx为
静态弹性系数为
其中,k为形状常数,k≈0.9。
在较高频率区域内计算时(频率从略低于第一阶弯曲固有频率往上)必须将真实的、有一定质量的弹簧模型化为弯曲梁,模型化过程借助梁的连续体理论或有限元理论(依构造型式的不同,第一阶弯曲固有频率为40~60 Hz)。
因为弹簧断裂时操纵稳定性不能再得到保证(如刚性车轴在弹簧断裂时,会从断裂处向前或向后移动,导致车轮绕着转向轴朝一侧转动),所以要在弹簧前面安装断裂保护。
2.螺旋弹簧
螺旋弾簧实际上是经过缠绕后的扭杆弹簧(扭转弹簧),这种弹簧也可以通过以下方法做成渐进性的螺旋弹簧。
(1)缠绕时采用不同的斜率,使得弹簧被压缩时部分弹簧圈先压并在一起,而剩下的弹簧圈还能继续压缩。
(2)缠绕时采用不同的直径。
(3)使用呈锥状逐渐变细的弹簧丝(不常用)。
缠绕直径不一致的弹簧的优点是长度较短,因为弹簧的每一匝不必重叠在其他匝上。一般来讲,在弹簧中心可以插入减振器、伸缩筒式悬架的挡块或导向筒。关键是弹性部件如何组合,如果它们在行驶中由于转动产生接触并互相摩擦,就会出现噪声。图3.4.2为具有麦弗逊式悬架的螺旋弹簧。
图3.4.2 具有麦弗逊式悬架的螺旋弹簧
像钢板弹簧弯曲弹簧一样,实际中具有一定质量的螺旋弹簧也有连续性,也就是说,在较高频率区计算时(轿车的一阶固有频率为50~70 Hz)必须将这些弹簧连带它们的连续体特性一起进行模型化(作为带质量的扭转梁)。
螺旋弹簧通过结构计算或有限元分析来确定其在悬架运动方向的刚度系数k,k通常为常量,表示线性螺旋弹簧,但也可以是变量。变截面变刚度螺旋弹簧在越野车辆悬架上得到了广泛应用。
3.扭杆弹簧
扭杆弹簧亦称扭转弹簧,也是广泛应用于轿车和运输车辆的一种弹簧。它的局限在于为了得到所需的刚度必须具有一定的长度。这样,在横向装配状态下只能采用捆状形式(将较短的弹簧捆扎在一起以便得到所需的刚度)或者将扭杆倾斜、错开安装。图3.4.3为纵拖臂式悬架中的扭杆弹簧。
计算强度时应当注意,扭杆弹簧不仅受到扭转,在轮荷Fp和载荷A与B共同作用下还受到弯曲,其受力状态受载荷A与B的作用点位置影响。
图3.4.3 纵拖臂式悬架中的扭杆弹簧
4.气弹簧
到现在为止,所讨论的弹簧都是以固体作为弹性介质,弹力功通过弹簧变形储存起来。接下来将讨论以气体作为弹性介质的弹簧,它通过气体体积和压强的变化储存弹力功。
1)活塞式气弹簧
活塞式气弹簧是气弹簧一种最简单的形式,如图3.4.4和图3.4.5所示。气体受动态载荷时的绝热状态变化公式为
其中,V为工作容积;n为绝热指数;p为气体压强;p0为外界压强。(www.xing528.com)
因此,弹性系数
图3.4.4 带活塞式气弹簧的四分之一汽车模型
图3.4.5 气弹簧模型
当F≈A(p-pa)=mg,p≥pa,就有F≈Ap,由此得出一个弹簧-质量系统(见图3.4.4)的固有频率为
设载物时质量变为m1=Δm+m,如果气体做等温状态变化,压强升到p1,那么固有频率就变为
而带有钢制弹簧的系统的固有频率为
相反,含有气弹簧系统的固有频率随着载荷的增加而增高,需要一个较低的固有频率时,必须作基准调整,其手段如下。
(1)添加气体(空气),使得载物后活塞的位置仍保持不变。
(2)在中间加一个液压冲杆(液压弹性装置),如图3.4.6所示。
方法(1):由于载物而被压缩的体积将通过添加气体重新补充(补充到原体积V),活塞回到原来的位置。整个过程将在等温条件下进行。
载物后产生的压强差为Δp,且有Δp·A=Δm·g。
紧接着,在压强p1=p+Δp下充气使体积恢复到V,同时由于载物,弹性系数变为
而固有频率变为
它们都随着载重多少而改变。
方法(2):通过改变液压冲杆的“长度”而调整活塞高度。这样做既不会影响气体压强,也不会影响气体体积,因此固有频率也不会有变化。另外,这种方法还有一个优点:可以利用液压冲杆组合一个减振装置。
2)膜式气弹簧
在减振器的工作点应当保证d A/d z≈0,以便像单纯气弹簧那样,固有频率不随载重而改变。气膜使得活塞面积随活塞的高度而改变,如图3.4.7所示,且有
图3.4.6 带液压冲杆的气弹簧
图3.4.7 带有可变截面积活塞的膜式气弹簧
活塞面积在很大范围内可变,这导致了固有频率也随载重可变。这种弹簧形式常用在货车(包括大客车)上。
3)油气弹簧
雪铁龙研制了这种气弹簧中间加液体柱方式的弹性系统,如图3.4.8所示,外力经过液体柱传递给气体。这种弹簧部件,带有减振阀门。气腔中的氧气经过薄膜完成减振作用,这个弹簧部件支撑在托臂上,通过连在车桥上的阀门来实现其控制。像其他气弹簧一样,油气弹簧也可以通过改变薄膜与活塞之间的液体量作基准调整。
图3.4.8 雪铁龙的油气弹簧
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