Drehstab

Der Torsionsstab ist eine der einfachsten Arten von Federn . Durch die Ausnutzung der Querelastizität von Materialien ermöglicht es große Verformungen von Strukturen und ermöglicht die Konstruktion flexibler Elemente, die leichter zu kontrollieren sind.

Dies ist nicht zu verwechseln mit Spiraltorsionsfedern, die in der Uhrmacherei verwendet werden, die tatsächlich in Flexion arbeiten.

Beim Torsionsstab ist, wenn wir die Enden vernachlässigen, sein aktiver Teil ein massiver Stab mit Durchmesser d und Länge L oder auch ein Rohr mit Innendurchmesser d i und Außendurchmesser d e .

Eines der Enden der Stange ist blockiert und gilt als feststehend, das andere, als frei bezeichnet, ist mit den beweglichen Elementen verbunden.

Die Hauptanwendung von Torsionsstäben ist die Aufhängung von Fahrzeugen, insbesondere solchen mit Einzelrädern. Sie werden nicht nur bei leichten Fahrzeugen, sondern auch bei großen Massenfahrzeugen ( z. B. Panzern ) und vielen Geländefahrzeugen eingesetzt .

Nennen wir M t das auf das freie Ende der Stange ausgeübte Drehmoment und α den Winkel, um den sich dieses Ende unter der Wirkung dieses Moments in Bezug auf das andere dreht.

Widerstandsbedingung

Die maximale Schubspannung in der Feder beträgt:

${\ displaystyle \ tau = {\ frac {Mt} {\ frac {I_ {0}} {V}}} \ leq {\ tau} _ {adm}}$

mit (voller Balken) ${\ displaystyle \ tau = {\ frac {16 \, Mt} {\ pi d ^ {3}}}}$

oder (Rohr) ${\ displaystyle \ tau = {\ frac {16 \, d_ {e} \, Mt} {\ pi (d_ {e} ^ {4} -d_ {i} ^ {4})}}}$

Verformungszustand

Der Drehwinkel des freien Endes beträgt:

${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {Mt \, L} {G \, I_ {o}}}}}$

mit (voller Balken) ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {32 \, Mt \, L} {\ pi \, G \, d ^ {4}}}}$

oder (Rohr) ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {32 \, Mt \, L} {\ pi \, G \, (d_ {e} ^ {4} -d_ {i} ^ {4})}}}$

Die Steifigkeit ist es wert ${\ displaystyle k = {\ frac {Mt} {\ alpha}} = {\ frac {G \, I_ {o}} {L}}}$

Die Unbekannten sind leicht aus den Formeln zu erhalten: Tatsächlich werden für ein gegebenes Material die Durchmesser des Stabes oder des Rohres durch die Widerstandsbedingung festgelegt, dann bestimmt die Verformungsbedingung die Länge.

Mit:

G: Der Schubmodul

${\ displaystyle I_ {o}}$ : Das quadratische Moment in der Stabachse

$\Alpha$ : Der Drehwinkel des freien Endes

L: Die Länge des Balkens

Mt: Der Moment

k: Steifigkeit

d: Der Durchmesser

Praktische Fragen

Bei Torsionsstäben mit kreisförmigem Querschnitt besteht das heikle Problem in den Verbindungselementen, auf deren Höhe keine Spannungskonzentration verursacht werden darf . Am häufigsten wird eine Halbwinkelkonus am Scheitel der Nähe von 30 °, die mit der Stange durch eine große Verbindungsfilet (Radius r \ 1.5.d), ermöglicht die Erhöhung des Durchmessers , die für die Realisierung der Keilnuten , die in Eingriff gebracht werden , in den weiblichen Teilen der Verbindungsstücke. Die Spannungskonzentration aufgrund der Radiusänderung ist gering, andererseits ergeben die Keilnuten, die die Drehmomentübertragung gewährleisten, einen Spannungskonzentrationskoeffizienten nahe 2.

Zur Reduzierung der Gesamtlänge besteht die Möglichkeit, einen Lenker und ein Torsionsrohr zu kombinieren (sog. „Dubonnet“-Aufhängung). Eine aus einem Rohr hergestellte Torsionsfeder weist einen Spannungszustand auf, der zu einem gleichförmigen Feld tendiert, und hat daher ein minimales Volumen. Andererseits ergibt eine elementare Berechnung den Rotationszylinder minimaler Länge.

Anwendungen im Bereich Transport

Aufhängungen

Die Verwendung von Torsionsstäben anstelle herkömmlicher Federn bringt eine Reihe von Vorteilen für die Aufhängung von Automobilen , Lieferwagen und Anhängern : Kompaktheit, Flexibilität, großer Federweg und geringer Platzbedarf.

Zu nennen sind die Vorder- und Hinterachse des Citroën- Transporters Typ H oder die ersten Versionen des VW Käfers (bis 1970) mit Längsträgern sowie eine ganze Reihe von Panhard- Fahrzeugen der Nachkriegszeit. Auch Renault hat das Torsionsstabsystem ausgiebig genutzt: Längsträger (an der Vorderachse) und Querträger (an der Hinterachse) des Renault 4, bei denen die Vorspannung auch in der Werkstatt einstellbar ist, was eine Anhebung der Last. Pkw auch mit schweren Lasten auf schlechten Straßen zu fahren.

Durch die Aneinanderreihung der Torsionsstäbe unter dem Auto ist der Radstand des Fahrzeugs links und rechts unterschiedlich. Renault hat dieses System bei vielen seiner Frontantriebsfahrzeuge wie dem Renault 6 , Renault 16 , Renault 21 Nevada Kombi (mit einer klassischen Sekundärfeder am Stoßdämpfer) verwendet.

Die Französisch Anhängerachse Hersteller „Frankel“ ausgezeichnete Drehstab Achsen für Anhänger und vermarktet Caravanhersteller , aber diese mechanisch edle und teure Lösung wurde aufgegeben , als das Unternehmen wurde von der Gruppe übernommen. Deutsche Al-Ko , zugunsten eines Systems von verschachtelten Rohre unter Zwischenlage von Gummischnüren.

Eine Drehstabfederung wurde auch bei vielen Kampfpanzern und anderen gepanzerten Militärgeräten verwendet.

Verteilung

Viel marginaler ist der Einsatz von Torsionsstäben für die Ventilrückführung im Vertrieb von Automobil- und Motorradmotoren:

Effektive Lösung, die bestimmte Probleme vermeidet, die mit Schraubenfedern zu einer Zeit verbunden sind, als ihre Metallurgie nicht vollständig beherrscht wurde (Panik der Ventile, Bruch des Federdrahts, Resonanzphänomene), dennoch eine Lösung von gewisser Komplexität, die Platz im Zylinder erfordert requires Kopf. Es wurde für hocheffiziente Motoren (für die damalige Zeit) verwendet und für hohe Drehzahlen ausgelegt.

Die beiden bekanntesten Beispiele sind der „ Flat Twin “ -Motor der Panhard Dyna, PL17 , 24 und CD und im Motorradbereich der sehr leistungsstarke Vertical Twin der Honda CB 450 der 1970er Jahre, der britische Motorräder derselben in den Schatten stellte Periode mit einer viel größeren Verschiebung.