陳云，王成立

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

測(cè)試試驗(yàn)

關(guān)于麥弗遜懸架螺旋彈簧變形量測(cè)試方法的探討

陳云，王成立

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先針對(duì)麥弗遜懸架中螺旋彈簧的剛度特性進(jìn)行分析，再利用“應(yīng)變—高度”的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為中間媒介，制定相應(yīng)的測(cè)試試驗(yàn)方案，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；將試驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，證明試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，為懸架運(yùn)動(dòng)或螺旋彈簧的進(jìn)一步分析提供依據(jù)。

麥弗遜懸架；螺旋彈簧；應(yīng)變；試驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.033

CLC NO.:U463.2 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-96-03

前言

從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)區(qū)分，汽車(chē)懸架分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架，而麥弗遜懸架則是目前最為流行的獨(dú)立懸架之一。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，麥弗遜懸架的主要結(jié)構(gòu)即由螺旋彈簧加上減振器組成。

在大部分的小型轎車(chē)上，麥弗遜懸架中的螺旋彈簧與減振器是組合成一體式的結(jié)構(gòu)，此類懸架中螺旋彈簧往往為變剛度、變節(jié)距的小型螺旋彈簧，更多的是滿足乘坐舒適性的要求；而在一些輕型客車(chē)中，減振器與螺旋彈簧是分開(kāi)布置的，這類螺旋彈簧設(shè)計(jì)的剛度較大，更多的滿足車(chē)輛承載性能，同時(shí)也不失舒適性的考慮。

針對(duì)上述兩類麥弗遜的結(jié)構(gòu)形式，安徽江淮汽車(chē)股份有限公司的劉守銀等[1]在其論文中有所介紹。減振器與螺旋彈簧分開(kāi)布置的懸架結(jié)構(gòu)中，螺旋彈簧的活動(dòng)空間相對(duì)較小。如果設(shè)計(jì)之初未充分考慮到螺旋彈簧在懸架結(jié)構(gòu)中的匹配，后期很有可能出現(xiàn)螺旋彈簧并圈等一系列問(wèn)題。

1、某車(chē)型中麥弗遜懸架的介紹

某輕型客車(chē)的前懸架結(jié)構(gòu)為麥弗遜式獨(dú)立懸架[2]。懸架中主要部件有：前輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器、螺旋彈簧、下擺臂、副車(chē)架。螺旋彈簧的上端安裝在副車(chē)架的卡槽中，下端固定在下擺臂的卡槽中，這種結(jié)構(gòu)稱為“減振器撐桿”[3]，具體的如圖1所示。

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，如果出現(xiàn)超載、瞬時(shí)沖擊力過(guò)大、車(chē)輛側(cè)傾過(guò)大等情況，各種因素的作用均也會(huì)影響到螺旋彈簧的正常變形。一旦選用螺旋彈簧不當(dāng)，極易出現(xiàn)螺旋彈簧并圈問(wèn)題，影響整車(chē)舒適性及螺旋彈簧的使用壽命。

圖1 某車(chē)型麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)示意圖

為了排查該車(chē)型的螺旋彈簧工作時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)并圈問(wèn)題，對(duì)螺旋彈簧在實(shí)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷現(xiàn)用螺旋彈簧的選用是否存在不合理性。

2、螺旋彈簧變形量測(cè)試方案制定

該車(chē)型螺旋彈簧具有等節(jié)距、等中徑的特點(diǎn)，其剛度特性曲線大致可以用下圖表示。

圖2 螺旋彈簧剛度特性曲線

螺旋彈簧開(kāi)始工作到并圈的剛度性能大致可以分為兩段：①、性能穩(wěn)定區(qū)：螺旋彈簧從受載直至并圈前的一段區(qū)間，載荷與撓度成線性變化[4]；②、失效區(qū)：螺旋彈簧出現(xiàn)并圈，其剛度值急劇增加趨近無(wú)限大。

螺旋彈簧工作在性能穩(wěn)定區(qū)時(shí)，在垂直方向做壓縮和放松運(yùn)動(dòng)，即在安裝載荷F0和最大載荷Fmax之間不斷循環(huán)變化[5]，此時(shí)在彈簧內(nèi)部產(chǎn)生的最大和最小循環(huán)剪應(yīng)力Tmax、Tmin分別為：

式中：D為彈簧的中徑；d為彈簧線徑，K為彈簧的曲線系數(shù)。

圖3 螺旋彈簧變形量測(cè)試流程圖

從式中可以看出，載荷F與剪應(yīng)力T之間為線性關(guān)系。利用這一特性，求解出螺旋彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上“應(yīng)變—高度”的關(guān)系，并將其作為中間媒介，再進(jìn)行實(shí)車(chē)上螺旋彈簧變形量的測(cè)試工作，具體流程見(jiàn)圖3。

3、測(cè)試方案的執(zhí)行

（1）在試驗(yàn)機(jī)上采集螺旋彈簧“應(yīng)變—高度”關(guān)系

①選取滿足設(shè)計(jì)要求的螺旋彈簧樣品；

②在螺旋彈簧中圈位置，貼應(yīng)變片，連接并固定好線束；

③將應(yīng)變片連出的線束與數(shù)據(jù)采集器連接，再將數(shù)據(jù)采集器與電腦終端連接，具體的操作流程見(jiàn)下圖：

圖4 試驗(yàn)機(jī)上數(shù)據(jù)采集流程圖

④設(shè)定好臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行程序：設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的壓縮高度從235mm至160mm，每下壓5mm，停止5秒。該過(guò)程在電腦程序中自動(dòng)完成收集螺旋彈簧在不同高度時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值數(shù)據(jù)。

⑤對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行至少三次以上的數(shù)據(jù)采集。

對(duì)三次采集結(jié)果進(jìn)行分析，得出修正后的回歸方程式為：y=0.023x+259.7667，式中x為應(yīng)變值，y為螺旋彈簧對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值高度。從圖5可見(jiàn)，三次采集的關(guān)系曲線吻合度高，因此擬合出的關(guān)系式可用于下一步的分析。

圖5 螺旋彈簧“應(yīng)變—高度”關(guān)系曲線

（2）將螺旋彈簧裝配在實(shí)車(chē)上進(jìn)行路試

①將貼好應(yīng)變片的螺旋彈簧更換至試驗(yàn)車(chē)上，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集器布置在實(shí)車(chē)上；換而言之，懸架結(jié)構(gòu)中的“副車(chē)架卡槽”及“下擺臂卡槽”就相當(dāng)于臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)的上、下固定點(diǎn)；

②對(duì)試驗(yàn)車(chē)按照理論設(shè)計(jì)載荷加載至滿載狀態(tài)并進(jìn)行稱重確認(rèn)，前軸荷按1600kg加載；

③試驗(yàn)車(chē)輛在國(guó)家級(jí)試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化路段按路試規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，模擬車(chē)輛在各類惡劣路況下的工作狀態(tài)。

（3）利用數(shù)據(jù)采集器設(shè)備，收集螺旋彈簧在試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)變值數(shù)據(jù)

（4）利用關(guān)系反推螺旋彈簧實(shí)際高度數(shù)據(jù)

利用上一步中“應(yīng)變—高度”的關(guān)系式，將路試過(guò)程中獲取的應(yīng)變值反推成螺旋彈簧在各個(gè)時(shí)刻的高度數(shù)據(jù)。其中某一段時(shí)間內(nèi)變形高度的分布如下圖6所示。

圖6 螺旋彈簧實(shí)車(chē)變形量數(shù)據(jù)

4、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)

螺旋彈簧在試驗(yàn)過(guò)程中所采集的實(shí)際變形高度的概率分布可以用下圖7表示：

圖7 螺旋彈簧變形高度幅值分布圖

從圖7中可以得出試驗(yàn)過(guò)程中螺旋彈簧以下幾個(gè)重要變形高度數(shù)據(jù)，見(jiàn)下表2：

表2 螺旋彈簧變形高度數(shù)據(jù)

①最大高度：螺旋彈簧的理論自由高度為272±10mm，而測(cè)試的最大變形高度為277.3mm在其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。當(dāng)整車(chē)反跳過(guò)程時(shí)，螺旋彈簧基本處于不受力狀態(tài)，此時(shí)的最大變形高度達(dá)到277.3mm屬正常情況，當(dāng)然不排除測(cè)試誤差在內(nèi)；

②最小高度：懸架結(jié)構(gòu)中，配合螺旋彈簧工作的還有緩沖塊結(jié)構(gòu)，當(dāng)螺旋彈簧壓縮至一定程度時(shí)緩沖塊起作用。根據(jù)理論校核，螺旋彈簧實(shí)車(chē)最小變形量達(dá)到175.1mm與理論計(jì)算結(jié)果相符，此時(shí)的最小變形高度為175.1mm屬正常情況，當(dāng)然不排除測(cè)試誤差在內(nèi)；

③常態(tài)值：整車(chē)滿載時(shí)簧上質(zhì)量為1493kg，而懸架單邊剛度為61N/mm，計(jì)算得出輪心Z向變化量為122mm。

從圖8可以看出，下擺臂、螺旋彈簧、輪心存在的三角關(guān)系為：（其中x為螺 旋彈簧變形量，y為輪心變形量）?？梢杂?jì)算得出彈簧滿載時(shí)的變形量為46.6mm，因此理論計(jì)算滿載時(shí)螺旋彈簧的高度為自由高度減去變形量，即225.4mm。試驗(yàn)測(cè)試的螺旋彈簧高度常態(tài)值為224mm，兩者結(jié)果基本相同，可以判斷試驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相吻合。

通過(guò)上述的對(duì)比分析，該車(chē)型螺旋彈簧的實(shí)際變形量在三種工況下均與理論值符合，考慮試驗(yàn)中的一些誤差，可以判定本次試驗(yàn)所得的螺旋彈簧實(shí)際變形量數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

圖8 螺旋彈簧變形與輪心跳動(dòng)的三角關(guān)系圖

螺旋彈簧的并圈高度為149.8mm，試驗(yàn)測(cè)試的最小變形高度僅為175.1mm，即當(dāng)彈簧壓縮至最低時(shí)，各圈之間還有4.2mm間隙（螺旋彈簧共6圈），因此可以判斷試驗(yàn)過(guò)程中并不會(huì)存在螺旋彈簧并圈的情況。

5、總結(jié)

本文涉及的麥弗遜獨(dú)立懸架中減振器與螺旋彈簧分開(kāi)布置，螺旋彈簧具有等節(jié)距、等中徑的特點(diǎn)。利用圓柱形等節(jié)距螺旋彈簧的剛度特性，以“應(yīng)變—高度”關(guān)系作為中間媒介，利用數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中螺旋彈簧變形量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再與理論設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果證明螺旋彈簧在實(shí)車(chē)中的變形量數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)值符合度高。因此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)后期懸架的運(yùn)動(dòng)軌跡校核或者螺旋彈簧強(qiáng)度分析均有參考價(jià)值。

該方法也可以借鑒到其他類似結(jié)構(gòu)中的螺旋彈簧變形量的測(cè)試，或者應(yīng)用到其他一些具有類似特性的零部件變形量的測(cè)試中去。因此該方法具有較好的推廣性。

[1] 劉守銀,周忍.麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析綜述[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù):2014,10:44—48.

[2]合肥車(chē)橋有限責(zé)任公司.一種前懸架總成.中國(guó).2011202858112. 2013.6. 中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局．

[3] 耶爾森·萊姆帕爾著，李旭東 譯.汽車(chē)懸架[M].機(jī)械工業(yè)出版社2013.4:138.142.

[4] 韓立志.圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程.2010,03:44.

[5] 魏宗平.圓柱螺旋彈簧疲勞強(qiáng)度可靠性分析的區(qū)間方法[J].現(xiàn)代制造工程.2008，12：73-77.

Discussion McPherson strut helical spring deflection test methods

Chen Yun, Wang ChengLi
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper for the McPherson strut coil spring stiffness characteristics were analyzed, and then use the “strain -height” relationship as an intermediary, to develop appropriate test pilot program, and in the real vehicle data acquisition; the test results were compared with the theoretical design, show that the results are reliable and effective, further analysis of the suspension or the coil spring can be used as a reference.

McPherson strut; coil springs; strain; test

U463.2

A

1671-7988(2016)01-96-03

陳云，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司。