5.5 悬架导向杆的设计

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1、5.5 悬架导向杆的设计在进行运动学与弹性运动学分析的情况下，可以确定导向杆长度及形状，下面主要介绍怎样进行断面与结构设计的问题。双剪切式连接适用于当悬架臂由“开放”式U型横梁制成，而该横梁可能由一个盘式弹簧支撑的。然而配合元件，比如说车轮托架，必须包含一个能够用来安装铰链外衬套的孔，（在该例子中）而若它的轴线位于与冲模模具分模线FT相同方向上则是不利的。如果刚才提到的这条线通过孔的话，对表面进行磨削加工和采用何种方法加工出来的孔一样将被证实是非常必要的。如果车轮托架为铸造件的话，则当采用模芯铸造时可以省去一些机械加工工序。若连杆内部的末端制造方式与外部相同，那么这将要求汽车车身或副车架要求安

2、置一个其上包含有一个衬套的托架。托架上的孔可能也必须要进行必要的机加工，该孔的加工量甚至比车轮托架上的孔相对要少一些。这种连杆应把一根管子焊接在其内部末端处，以使一个底盘的侧面托架可带两个法兰盘。有助于我们在当装配件上有反复的额外的花销负担时，也许将其设计得尽可能简单是毫无意义的。 图 5.5.1 开放式侧面结构在转矩下的弯曲变形及结构形式图5.5.1中的悬架臂通常要支撑一个附加载荷；由于悬架在空间上的运动，会使其在任意方向上都有可能产生一个角度偏移。在铰链的终点处的轴线上则会发生相互扭曲，导致在铰链节点出的锥形偏角。由此圆锥角引起的转动惯量加于连杆上一个扭矩图5.5.1。有着“开放型”截面的

3、连接可以抵抗一部分扭矩，并通过横截面的受扭产生抗扭力；铰链内衬套的接触面之间被制成具有一个相互反向的（）角的偏斜，图5.5.1a。这个偏斜加重了悬臂连接件与衬套之间的摩擦，这可能会造成微小的滑移以致会带来磨损腐蚀的危险或造成连接处的逐步松动。因此，象这样的开放式断面的连接最好是用一个带有封闭孔洞的结构，封闭式中空的结构具有较高的扭转刚度至少应在没有铰链连接配合处安装成中空的。其它的可能性是为了通过在其中一个铰链的末端合成合适的球窝接头的来减轻杆件的扭矩。如果法兰盘在铰接处对于力F有着大小不同的抗力，同样的问题在托架上也会产生。如图5.5.1b所示，图中右边的法兰盘要比左边的法兰盘长些，因此，它

4、也就比左边的法兰盘受力的影响更加显著。这个情况导致了在衬套上的接触面或由角引起的相互的扭曲变形。因此，为了确保每个法兰盘上的变形相同，恰当的设计或对其适当增大尺寸是必要的。在悬架臂上中空的断面只在那些没有附加接头的地方是可行的。因为开放式的截面结构与中空式的截面模量（系数）有很大的差异，这两种类型的连杆截面之间在一个瞬时区域都必须要承担牵引载荷的迅速变化。牵引力的峰值点特别是那些可能达到危及焊接接缝的牵引力值必须通过选择恰当的设计方法来避免。中空式断面和开放式断面的截面模量（系数）W可由著名的Bredt公式来计算确定如图5.5.2中所示。在可数的例子中比较显示出，具有相同外部形状、相同体积或相

5、同质量的中空式的断面轮廓的连杆与开放式的断面轮廓的连杆，它们的截面模量（系数）之比率大约可达30：1。如图5.5.2c中所示，从中空型到开放型的突然变化，将会导致焊缝处发生失效。渐减抛物线（P）的切口也是收效甚微的。图5.5.2中空式和开放式侧面的截面参数 图5.5.3 从中空断面到开放式断面的有利过渡更为有效且又不会花费很多的方法的是使从中空型断面轮廓到开放型断面轮廓作渐进的变化，如图5.5.3所示。在悬架臂的右端，悬臂的双剪式的铰链铰接上有两个法兰盘与之相连；同时在其左端焊接一个管子用以与另外的铰接头相连。为消除连杆的扭曲变形，并且使右部摩擦式双剪切连杆的连接接头不受危害，通常把连杆设计成

6、是由两个U字型（马蹄型）断面的薄板件焊接而成的中空横梁。在过渡区，其中的一个侧面是逐渐变反向的，这就使得其形成了近似于另一个侧面的形状，也就是所谓的“开放式”断面结构，尽管它具有双壁式的侧面。铸造件或锻造件并非是在任何情况下都可以被简单地认为是刚性的。如图5.5.4所示的锻造的刚性梁，第二块部件以两个确定距离的点与其相连接。如果该部件对弹性变形是敏感的（例如因为它若是齿轮罩），那么其上的连接部件就应服从于该部件。同样地，这也适用于很多复杂连接的大型结构件。比如，用于操纵转向的齿轮齿条副罩壳，以及底盘结构。基于对广泛的温度变化范围对车辆使用的影响的考虑，自由约束的连接方式对于不热膨胀系数不同的结

7、构件来说特别重要。当由薄板制成的弯曲梁受到一个弯曲力矩，如果有足够的空间提供给弯曲梁必需的宽敞的横截面积，那么正应力就不成问题。然而由于来自曲率的关系，将可能会产生次应力和可能对形稳性（空间/尺寸稳定性）造成损伤。图5.5.5a所示的中空梁的弯曲段是由两个两片半节板金件组成的。弯矩MB有使梁向着曲率半径较大的方向弯折的趋势。压应力d和拉应力z的方向是沿着梁的曲率方向而变化的，并在板的表面上产生一个合成正交的力分量图5.5.5b。 图5.5.4 两装配件的无约束连接 图5.5.5 弯曲空心梁的二次弯曲力矩在断面底部的中间区域，侧壁不能提供，且其钢板被向外弓起；在底部剖面的中间区域，侧壁不能提供足

8、够的支撑，于是梁板向外弯折，造成底部和侧壁的第二次弯折，侧壁有可能绕焊缝旋转，并有破裂的危险。如果弯矩反转，截面的底部向内弯，焊接凸缘向外弯。图5.5.5c中，在截面底部增加倒圆角能够改善其空间稳定性。薄壁件上加强作用的圆角和加强肋必须达到一个最小高度以保证更高的硬度同时又不增加应力。图5.5.6是一个由纵向凸缘增强抗弯能力的板梁。增高凸缘，转动惯量Ib的几何力矩以累进的方式增加，当然，由于最初边距e比IB增加的更快，应力B也增加直至希望值（当k=0.5时，截面不存在凸缘）。如果梁上的弯矩由横向力F产生的，图5.5.7，那么梁的截面上不仅有线性的弯应力，还有剪应力，我们假定它的最大值位于中位线

9、n，图5.5.7b。因此通过中位线上有凹口的孔来减重并不利，图5.5.7a，剖面线部分II有一孔穿过，剪应力无法传过，围绕孔剪应力便出现最高值。图5.5.7c显示了一个较好的解决方法，即使用三角形孔使这部分象一个格子梁。如果悬架部件不能由板材构造，就有必要求助于铸造件或锻造件。原因有可能是因为空间不够，或经常遇到的如：大量的曲柄存在而需要清理别的结构件。由于材料能承受更大的张力，锻造成的悬架连杆的截面可以很小。因此，由纵向力可能产生的一个轴向应力与弯应力相比就不能被忽视。为了避免应力的非对称分布以及因此产生的材料利用不当、重量增加的问题，应该明智的使用中线可以排列的截面形状。图5.5.8a，锻

10、造的曲柄悬架连杆上加了一个纵向力FL。在曲柄部分连杆是I型截面，它的几何中心S位于力的作用线上。边距e1、e2不等，并与截面系数相关。由于FL，曲柄距p和惯性矩Ix 随拉应力z和压应力d有关：zB=FLpe1/IxdB=FLpe2/Ix轴向应力与截面积A有关：dL=FL/A 图5.5.6 法兰盘尺寸稳定性的改善 图5.5.7 有缺口的孔使重量得到减轻要达到最佳材料利用率和最小重量需要压应力等于拉应力：zB-dL=dB+dL 这又导致等压条件下的曲柄距p：p=2Ix/A(e1-e2) (5.5.1)该等式有助于我们当已知p时为优化材料利用率来设计截面形状。例子b到d列出了在中线的想要位置固定时几

11、种可能的截面形状。c和d为实心截面，不如a和b截面节省材料，但它们在任何方向上都不表现“底切”，因此可在弯矩最大的方向旋转而不影响锻造。 图5.5.8 纵向力最优的分配在带曲柄横梁上 图5.5.9 扭转自由侧面布置在带有曲柄的悬臂上开式截面的梁，即使是标准壁厚的锻件或铸件，也并不能抗扭矩，但是通过合理设计截面来避免扭转应力是可能的。图5.5.9中，悬架连杆末端为曲轴并加载一个横向力Fq。由于曲轴存在，横截面几何中心S连线为s形，那么要正确决定截面的应力就要求横截面垂直于线S。在完全是曲轴的区域，连线S平行于连杆的纵轴，在截面I上，力Fq作用在连杆纵轴的交点代替几何中心。然而，由于截面为U形不能

12、加载扭矩，故其剪切中心位于Fq作用力线的延长线上。截面II，S的切线通过Fq的作用点，Fq的延长线通过截面的几何中心S。对称的I-形截面是最佳选择。在截面II到连杆尾部之间的部分，线S反方向弯曲，在任何截面上，Fq线都出现在连杆纵轴线的另一侧。为避免弯矩，腹板部分也转移到同侧，产生的剪切中心T位于Fq的延长线上。通过这个方法，连杆可被设计成带有开式截面来取代曲柄并能传递横向力。腹板的不同位置不会对锻造造成问题。上述考虑所强调的事实是，在开始悬架设计时，对问题进行远瞻性的分析及其可能的结论是极其重要的。通过对设计原理和方法的广泛选择，设计者要确定该计划到最终也不能改变的本质特征。现代车轮悬架的装配件通常太复杂，很难由经典的计算方法解决。而设计者由于他与生产部门的密切合作关系而成为决定设计方案的重要特性的合适人选,而不应希望那些计算或测试专家为你选出什么方法。实际上，现在所有的结构件都由权威专家测试调查过，根据最合适的设计方法设计这些部件总是很有帮助的。