Bară de torsiune

Bara de torsiune este unul dintre cele mai simple tipuri de arcuri . Profitând de elasticitatea transversală a materialelor, permite deformări mari ale structurilor și permite construirea de elemente flexibile, care sunt mai ușor de controlat.

Acest lucru nu trebuie confundat cu cel al arcurilor spirale de torsiune utilizate la ceasornicare, care funcționează de fapt în flexie.

Pentru bara de torsiune, dacă neglijăm capetele, partea sa activă este o bară solidă cu diametrul d și lungimea L sau, altfel, un tub cu diametrul intern d i și diametrul extern d e .

Unul dintre capetele barei este blocat și considerat a fi fix, celălalt, numit liber, este conectat la elementele mobile.

Principala aplicație a barelor de torsiune este suspendarea vehiculelor, în special a celor cu roți independente. Acestea sunt utilizate nu numai pe vehicule ușoare, ci și pe vehicule mari de masă ( tancuri de exemplu) și multe vehicule off-road .

Să numim M t cuplul aplicat la capătul liber al barei și α al cărui unghi se rotește față de celălalt, sub efectul acestui moment.

Starea de rezistență

Stresul maxim de forfecare din primăvară este:

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

cu (bara completa) ${\ displaystyle \ tau = {\ frac {16 \, Mt} {\ pi d ^ {3}}}}$

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

Condiție de deformare

Unghiul de rotație al capătului liber este:

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

cu (bara completa) ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {32 \, Mt \, L} {\ pi \, G \, d ^ {4}}}}$

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

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

Necunoscutele sunt ușor de obținut din formule: într-adevăr, pentru un material dat, diametrele barei sau ale tubului sunt fixate de condiția de rezistență, atunci condiția de deformare impune lungimea.

Cu:

G: Modulul de forfecare

${\ displaystyle I_ {o}}$ : Momentul pătratic în axa barei

$\alfa$ : Unghiul de rotație al capătului liber

L: Lungimea barei

Mt: Momentul

k: rigiditate

d: Diametrul

Probleme practice

În barele de torsiune cu secțiune circulară, problema delicată este cea a elementelor de fixare, la nivelul cărora nu trebuie cauzată concentrația de solicitare . Cel mai adesea, un con de jumătate de unghi la vârful apropiat de 30 °, conectat la bară printr-un file mare de conectare (raza r ~ 1.5.d), permite creșterea în diametru necesară pentru realizarea splinelor care vor fi cuplate. în părțile feminine ale pieselor de legătură. Concentrația de tensiune datorată modificării razei va fi scăzută, pe de altă parte splinele care asigură transmisia cuplului vor da un coeficient de concentrație de tensiune apropiat de 2.

Este posibil să combinați o bară și un tub de torsiune pentru a reduce lungimea totală (așa-numita suspensie "Dubonnet"). Un arc de torsiune realizat dintr-un tub va avea o stare de solicitare tendind spre un câmp uniform, prin urmare va avea un volum minim. Pe de altă parte, un calcul elementar dă cilindrul de rotație de lungime minimă.

Aplicații în domeniul transporturilor

Suspensii

Utilizarea barelor de torsiune în locul arcurilor mai tradiționale aduce o serie de avantaje pentru suspendarea automobilelor , camionetelor și remorcilor : compactitate, flexibilitate, o deplasare mare și o amprentă mică.

Putem cita axele față și spate ale autoutilitare Citroën Type H sau primele versiuni ale VW Beetle (până în 1970) cu bare longitudinale, precum și un număr mare de mașini Panhard de după război. De asemenea, Renault a folosit pe scară largă sistemul de bare de torsiune: bare longitudinale (pe puntea față) și bare transversale (pe puntea spate) ale Renault 4, unde preîncărcarea este reglabilă și în atelier, ceea ce face posibilă ridicarea masina pentru a circula pe drumuri proaste chiar si cu sarcini grele.

Datorită juxtapunerii barelor de torsiune de sub mașină, ampatamentul vehiculului este diferit între stânga și dreapta mașinii. Renault a utilizat acest sistem pe multe dintre vehiculele sale cu tracțiune față, cum ar fi Renault 6 , Renault 16 , Renault 21 Nevada break (cu un arc secundar clasic pe amortizor).

Producătorul francez de osii de remorcă "Frankel" a comercializat excelente osii cu bare de torsiune pentru producătorii de remorci și rulote , dar această soluție nobilă și costisitoare din punct de vedere mecanic a fost abandonată când compania a fost preluată de grup. German Al-Ko , în favoarea unui sistem de cuibărit tuburi cu interpunerea de cabluri de cauciuc.

Suspensia barei de torsiune a fost folosită și pe multe tancuri de luptă și alte dispozitive militare blindate.

Distribuție

Mult mai marginală este utilizarea barelor de torsiune pentru întoarcerea supapei în distribuția motoarelor de automobile și motociclete:

Soluție eficientă evitând anumite probleme asociate arcurilor elicoidale în momentul în care metalurgia lor nu era pe deplin stăpânită (supape de panică, ruperea firului arcului, fenomene de rezonanță), este totuși o soluție de o anumită complexitate care necesită spațiu în chiulasă. A fost folosit pentru motoare cu randament ridicat (pentru vremea respectivă) și proiectat pentru rotații mari.

Cele două cele mai cunoscute exemple sunt motorul „ Flat Twin ” al Panhard Dyna, PL17 , 24 și CD și, în domeniul motociclismului, geamănul vertical foarte puternic al Honda CB 450 din anii 1970, care a depășit motocicletele englezești din aceeași perioadă.cu o deplasare mult mai mare.