關于麥弗遜懸架螺旋彈簧變形量測試方法的探討

陳云，王成立

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

測試試驗

關于麥弗遜懸架螺旋彈簧變形量測試方法的探討

陳云，王成立

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先針對麥弗遜懸架中螺旋彈簧的剛度特性進行分析，再利用“應變—高度”的對應關系作為中間媒介，制定相應的測試試驗方案，并在實車上進行數(shù)據(jù)采集；將試驗結(jié)果與理論設計進行對比，證明試驗結(jié)果真實有效，為懸架運動或螺旋彈簧的進一步分析提供依據(jù)。

麥弗遜懸架；螺旋彈簧；應變；試驗

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)形式上來區(qū)分，汽車懸架分為獨立懸架和非獨立懸架，而麥弗遜懸架則是目前最為流行的獨立懸架之一。簡單來說，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；而在一些輕型客車中，減振器與螺旋彈簧是分開布置的，這類螺旋彈簧設計的剛度較大，更多的滿足車輛承載性能，同時也不失舒適性的考慮。

針對上述兩類麥弗遜的結(jié)構(gòu)形式，安徽江淮汽車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布置的懸架結(jié)構(gòu)中，螺旋彈簧的活動空間相對較小。如果設計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題。

1、某車型中麥弗遜懸架的介紹

某輕型客車的前懸架結(jié)構(gòu)為麥弗遜式獨立懸架[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、副車架。螺旋彈簧的上端安裝在副車架的卡槽中，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。

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

圖1 某車型麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)示意圖

為了排查該車型的螺旋彈簧工作時是否會出現(xiàn)并圈問題，對螺旋彈簧在實車試驗過程中的實際變形量數(shù)據(jù)進行測試分析，根據(jù)試驗結(jié)果來判斷現(xiàn)用螺旋彈簧的選用是否存在不合理性。

2、螺旋彈簧變形量測試方案制定

該車型螺旋彈簧具有等節(jié)距、等中徑的特點，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限大。

螺旋彈簧工作在性能穩(wěn)定區(qū)時，在垂直方向做壓縮和放松運動，即在安裝載荷F0和最大載荷Fmax之間不斷循環(huán)變化[5]，此時在彈簧內(nèi)部產(chǎn)生的最大和最小循環(huán)剪應力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 螺旋彈簧變形量測試流程圖

從式中可以看出，載荷F與剪應力T之間為線性關系。利用這一特性，求解出螺旋彈簧在臺架試驗機上“應變—高度”的關系，并將其作為中間媒介，再進行實車上螺旋彈簧變形量的測試工作，具體流程見圖3。

3、測試方案的執(zhí)行

（1）在試驗機上采集螺旋彈簧“應變—高度”關系

①選取滿足設計要求的螺旋彈簧樣品；

②在螺旋彈簧中圈位置，貼應變片，連接并固定好線束；

③將應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，具體的操作流程見下圖：

圖4 試驗機上數(shù)據(jù)采集流程圖

④設定好臺架試驗機的運行程序：設置試驗機的壓縮高度從235mm至160mm，每下壓5mm，停止5秒。該過程在電腦程序中自動完成收集螺旋彈簧在不同高度時對應的應變值數(shù)據(jù)。

⑤對螺旋彈簧進行至少三次以上的數(shù)據(jù)采集。

對三次采集結(jié)果進行分析，得出修正后的回歸方程式為：y=0.023x+259.7667，式中x為應變值，y為螺旋彈簧對應的應變值高度。從圖5可見，三次采集的關系曲線吻合度高，因此擬合出的關系式可用于下一步的分析。

圖5 螺旋彈簧“應變—高度”關系曲線

（2）將螺旋彈簧裝配在實車上進行路試

①將貼好應變片的螺旋彈簧更換至試驗車上，同時將數(shù)據(jù)采集器布置在實車上；換而言之，懸架結(jié)構(gòu)中的“副車架卡槽”及“下擺臂卡槽”就相當于臺架試驗機的上、下固定點；

②對試驗車按照理論設計載荷加載至滿載狀態(tài)并進行稱重確認，前軸荷按1600kg加載；

③試驗車輛在國家級試驗場的強化路段按路試規(guī)范進行試驗，模擬車輛在各類惡劣路況下的工作狀態(tài)。

（3）利用數(shù)據(jù)采集器設備，收集螺旋彈簧在試驗過程中各個時刻的應變值數(shù)據(jù)

（4）利用關系反推螺旋彈簧實際高度數(shù)據(jù)

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

圖6 螺旋彈簧實車變形量數(shù)據(jù)

4、對試驗結(jié)果進行確認

螺旋彈簧在試驗過程中所采集的實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中可以得出試驗過程中螺旋彈簧以下幾個重要變形高度數(shù)據(jù)，見下表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，而測試的最大變形高度為277.3mm在其設計范圍內(nèi)。當整車反跳過程時，螺旋彈簧基本處于不受力狀態(tài)，此時的最大變形高度達到277.3mm屬正常情況，當然不排除測試誤差在內(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)，當螺旋彈簧壓縮至一定程度時緩沖塊起作用。根據(jù)理論校核，螺旋彈簧實車最小變形量達到175.1mm與理論計算結(jié)果相符，此時的最小變形高度為175.1mm屬正常情況，當然不排除測試誤差在內(nèi)；

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

從圖8可以看出，下擺臂、螺旋彈簧、輪心存在的三角關系為：（其中x為螺 旋彈簧變形量，y為輪心變形量）?？梢杂嬎愕贸鰪椈蓾M載時的變形量為46.6mm，因此理論計算滿載時螺旋彈簧的高度為自由高度減去變形量，即225.4mm。試驗測試的螺旋彈簧高度常態(tài)值為224mm，兩者結(jié)果基本相同，可以判斷試驗結(jié)果與理論設計相吻合。

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

圖8 螺旋彈簧變形與輪心跳動的三角關系圖

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

5、總結(jié)

本文涉及的麥弗遜獨立懸架中減振器與螺旋彈簧分開布置，螺旋彈簧具有等節(jié)距、等中徑的特點。利用圓柱形等節(jié)距螺旋彈簧的剛度特性，以“應變—高度”關系作為中間媒介，利用數(shù)據(jù)采集器等設備，對實車試驗過程中螺旋彈簧變形量的數(shù)據(jù)進行采集，再與理論設計的結(jié)果進行比對，試驗結(jié)果證明螺旋彈簧在實車中的變形量數(shù)據(jù)與理論設計值符合度高。因此試驗結(jié)果對后期懸架的運動軌跡校核或者螺旋彈簧強度分析均有參考價值。

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試，或者應用到其他一些具有類似特性的零部件變形量的測試中去。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].汽車實用技術:2014,10:44—48.

[2]合肥車橋有限責任公司.一種前懸架總成.中國.2011202858112. 2013.6. 中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局．

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

[4] 韓立志.圓柱螺旋彈簧的設計[J].價值工程.2010,03:44.

[5] 魏宗平.圓柱螺旋彈簧疲勞強度可靠性分析的區(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股份有限公司。