板片彈簧Leaf Springs
彈簧一端以固定樞軸接在車架上,另一端經吊耳(shackle)連接:彈簧受壓變平時長度會略為改變,吊耳可以擺動來容許這個變化。車軸以 U 型螺栓與夾箍固定在彈簧中央。(補充)
等強度板 Beam of Uniform Strength
先看厚度 \(h\) 固定、寬度 \(b\) 隨位置改變的懸臂板,自由端受力 \(F\)。距自由端 \(x\) 處:
$$M=Fx,\qquad \sigma=\frac{My}I=\frac{Fx\,\dfrac h2}{\dfrac{bh^3}{12}}=\frac{6Fx}{bh^2}$$要每個截面的最大應力都相同,寬度必須與 \(x\) 成正比:
$$b=\frac{6F}{\sigma h^2}\,x$$也就是一塊三角形板,固定端寬 \(b_0=6FL/\sigma h^2\)。把它切成 \(n\) 條等寬的長條,左右對稱的兩半條並排疊在一起,就成為長度遞減的 \(n\) 片板片;最長的一片稱為主板(main leaf)。每片寬 \(b_0/n\),各截面上板片的總寬度與三角板相同,所以應力也相同。
補充:三角板各截面的曲率 \(\dfrac M{EI}=\dfrac{12Fx}{Eh^3b}=\dfrac{2\sigma}{Eh}\) 是常數,所以受力後彎成圓弧;板片彈簧的各片因此彎曲程度一致,彼此緊貼。
撓度 Deflection
實際的板片彈簧主板一路延伸到自由端,相當於自由端寬 \(b\)、固定端寬 \(b_0\) 的梯形板。撓度以固定端截面的慣性矩 \(I_0=b_0h^3/12\) 表示,並乘上修正係數 \(K_1\):
$$\delta=K_1\frac{Pl^3}{3EI_0}$$補充推導:以 \(u=x/l\)、\(\beta=b/b_0\),寬度 \(b(x)=b_0\left[\beta+(1-\beta)u\right]\)。用單位載重法(或積分曲率):
$$\delta=\int_0^l\frac{Px\cdot x}{E\,b(x)h^3/12}\,dx\ \Longrightarrow\ K_1=3\int_0^1\frac{u^2}{\beta+(1-\beta)u}\,du=\frac3{\left(1-\beta\right)^3}\left[\frac12-2\beta+\beta^2\left(\frac32-\ln\beta\right)\right]$$\(\beta=0\)(三角板)時 \(K_1=1.5\),\(\beta=1\)(矩形板)時 \(K_1=1\),與原講義的曲線相同。
教科書附的 Excel 計算表:Module 4-1(梯形平板彈簧的修正係數)。輸入 \(b\)、\(b_0\) 即得 \(K_1\);預設 \(b=3\)、\(b_0=9\) 時 \(K_1=1.2359\),與上式相同。




