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作者:徐元展、尹居中、劉子吉(2000-05-24);推薦:徐業良(2000-05-25);最後更新:徐業良(2004-09-09)
附註:本文為元智大學機械系大三機械設計課程實作計畫。

機械設計實作計畫-機車懸載系統分析

選一部你很容易觀察到其彈簧和避震器的機車,作為你的分析對象,報告此機車的牌照號碼、所有人、車型,並簡略繪出其懸載系統組成。選擇其中一個懸載彈簧,測量或計算彈簧的平均直徑、線徑、有效圈數、裝置長度等基本資料。注意你所選的機車懸載彈簧也許外徑是呈圓錐狀,彈簧線圈也不見得是均勻分布,但是請盡量作合理的工程上的估計。

坐在機車上,測量彈簧的操作長度,由你的體重計算彈簧的彈簧常數是多少。注意有多個彈簧時,彈簧可能是並聯,必須考慮每個彈簧平均承受重量。鋼鐵的剪力彈性模數是80GPa,再重新以彈簧之尺寸規格計算彈簧的彈簧常數,和前面測量的估計相差多少?

你所測量的懸載彈簧彈簧指數是多少?其相對應的瓦爾因素(Wahl factor)是多少?當你的體重坐在機車上時,彈簧鋼絲上的剪應力是多少?當彈簧被壓縮到固實長度時,彈簧鋼絲上的剪應力是多少?彈簧固實長度可以用彈簧線靜坐簡單估計。注意在作這兩個剪應力計算時,你必須先估計彈簧在裝置長度所受的預力大小。

得到懸載彈簧的彈簧常數之後,將全車建立成簡單的單自由度振動系統模型。有多個彈簧時,可以假設車重是平均分布在每個彈簧上。你坐在車上時,懸載系統彈簧的振動自然頻率是多少?從你的直覺來看,這個數字合不合理?假設你的懸載系統是一個臨界阻尼系統,你的避震器阻尼常數應是多少?假設你的懸載系統阻尼比為0.8,你的避震器阻尼常數應是多少?繪出此時的振動曲線圖。

以下以一實例說明其步驟,由於本文為示範性質,所採用的彈簧並非是機車懸吊彈簧,部份數值會與真實機車懸吊系統有所差異。

1. 測量計算彈簧基本資料

(1)       彈簧平均直徑

(2)       彈簧線徑

(3)       彈簧有效線圈數

(4)       彈簧裝置長度

2. 求取彈簧常數

(1)       承載人員重量49.5kg壓在彈簧上,此時彈簧操作長度為34.65mm

(2)       由此可求出彈簧常數

(3)       以彈簧外型尺寸計算彈簧常數

(4)       兩種方式所得誤差約為4%

3. 計算彈簧所承受的剪應力

(1)       彈簧指數

(2)       瓦爾因素

(3)       人員乘坐在機車上時彈簧鋼絲之剪應力

(4)       當彈簧被壓縮到固實長度,可求出此時彈簧所承受的重量為71.65kg

(5)       彈簧被壓縮至固實長度時彈簧鋼絲的剪應力

4. 計算懸載系統的彈簧振動自然頻率與臨界阻尼常數

假設就單隻彈簧來說,車體與乘客總質量設為100kg,自然頻率計算如下,注意必須特別注意其單位:

計算結果每秒振動2.6次,這個數字應該是合理的。

本系統之臨界阻尼常數為