汽车悬架上的扭杆弹簧及其应用

王东旭

摘 要：扭杆弹簧具有质量小、结构简单等特点，正因为存在这些特点而得到了广泛的使用。近年来随着科技的发展，目前扭杆弹簧具有很高的弹性极限以及良好的热处理性能。文章在这种形势下对扭杆弹簧的优势、结构原理、加工步骤、装配过程等方面展开了分析与探讨。

关键词：汽车悬架；扭杆弹簧；应用

1 扭杆弹簧优势的发挥

扭杆弹簧是汽车悬架金属弹簧中的一种，除了扭杆弹簧之外，汽车悬架还有钢板弹簧和螺旋弹簧。扭杆悬架装置的主要优点是质量轻、结构简单、制造工艺成熟等。扭杆弹簧在发展历程上经历了应力、强度、缓冲能力从低到高的过程。尤其是近30年，随着科技水平的不断发展，扭杆弹簧在性能上也有了很大的提高，高强度、应力扭杆的使用就是一个重要的标志，这时缓冲能力和静应力都已经达到了一个比较高的水平。在众多扭杆悬架零件中，扭杆弹簧只是其中之一，值得一提的是这种零件具有相对优良的性能。只有使最大工作应力得到进一步提高，悬架装置的性能才会更优良。

在悬架装置装配过程中要对扭杆的一端进行固定，固定位置一般在车身或者车架上，而扭杆的另一端则要固定在悬架的摆臂上，同时连接车轮，通过受力而产生扭转，再利用扭转变形起到一种缓冲作用。结合图1，如果摆臂弹簧出现了扭转变形，车架和车轮之间就会呈现出一种弹性联系，而震动就会被这种扭转弹力吸收，形成能量存储，进而起到弹性元件的作用。

2 扭杆弹簧的结构特性

从使用方式上来看，汽车上的扭杆弹簧主要通过纵向与横向两种方式使用，其中横向装置的使用频率多一些。少数车型会用横向装置扭杆替代螺旋弹簧，除此之外，其他横向装置扭杆都是用来平衡两边车轮受力的。而纵向装置扭杆通常被用来替代螺旋弹簧或者片状弹簧的。一般来说，独立悬架系统车经常使用扭杆弹簧，例如皮卡和轻客等。结合图2，可以看出扭杆弹簧的结构是一根弹簧钢支撑的金属杆，这根金属杆具有一定的扭转弹性，它的断面通常为圆形。扭杆弹簧的形状似一根长杆，长杆的两端被加工为六角形、方形或渐开线花键等，这样的设计在固定时是非常有利的。有时为了能够让弹簧变得更加柔软，会在加工过程中设计为多层扭片的组合断面。这种扭杆弹簧的主要特点是存储能量比较大，轻型化，一般来说可以在车辆稳定装置或者悬架弹簧中使用。扭杆弹簧在工作中可以存储较多的能量，三种弹簧比较，扭杆弹簧是存储能量（单位质量）最大的一种，同时它的占用空间比较小，布置起来相对容易，还可以对车身高度进行适度的调节，因此很多乘用车的悬架都使用扭杆弹簧。

3 扭杆弹簧的工艺流程

扭杆弹簧在加工过程中所使用的制造材料具有很高的疲劳极限、弹性极限等，经常使用的制造材料有合金弹簧钢、各种合金等。经过加工处理过的扭杆表面是非常光滑的，为了加强对表面的保护，可以采用表面喷塑处理，避免腐蚀或者刮傷。通常情况下，材料表面会经过磨削加工，并进行几何尺寸计算以及外观质量检验等。

扭杆弹簧在加工过程中会经过的加工步骤有：切料→镦锻→退火（两端头部）→机械加工→淬火→回火→喷丸强化→预扭强化→防锈处理。具体的加工工艺为：（1）切料就是以工艺规定为依据将材料切断，按照公式进行计算：工艺规定长度=扭杆弹簧总长度两端镦锻缩减长度+机加余量；（2）为了适应加工需要，通常会将扭杆弹簧的两端加工为六角形、正方形或渐开线花键等，此外，在镦锻过程中必须留出相应的加工余量；（3）为了方便机械加工，镦锻过后的两端会通过保温箱进行缓冷，并进行不停的机械加工，这一程序是可以省略的；（4）淬火是一种热处理工序，不管是加热还是冷却都要保证均匀，扭杆弹簧主要通过整体淬火和中频感应淬火两种方式进行淬火，变形问题是这一环节中特别要注意的，只要通过滚模压淬火或者以垂直状态投入油中或者中频感应加热垂直淬火（冷却液）就可以有效缓解变形；（5）喷丸强化是提高疲劳强度的重要工序，这一工序可以保证扭杆表面冲击的均匀性；（6）预扭强化的进行是提高扭杆表层的预压应力和开发利用心部材料的承载潜力来提高其疲劳强度和最大允许剪应力。两端在角度上不能出现过大的误差；（7）防锈处理是不能被忽略的，扭杆弹簧在使用过程中很容易会出现损伤或腐蚀，因此防锈处理是非常必要的，通常使用的防锈方法是通过辛酸锌进行处理，然后在工件表面涂装粉体。

4 扭杆弹簧的装配要点

在装配过程中，要将扭杆弹簧前端与下横臂的花键相连接，再对车架上的横梁和螺栓进行紧固，连接车轮与车架。同时在装配的过程中应在一侧扭杆弹簧的装配中将螺母拧紧，顺时针转动下横臂，这样悬架就会旋转。因为这一过程中车身左右的高度会出现不一致的现象，这样整车装配后就不能使设计要求得到满足，同时也会使左右车轮的定位参数发生变化。

装配扭杆时需要对车身高度进行精确的控制，还要对工艺节拍进行充分考虑，所以装配要严格按照相关规定进行，将螺母调整好，同时对螺栓外露螺杆长度的调整进行检查，保证车身的高度在规定范围之内，汽车下线后不能有"歪肩膀"现象出现。如果初步控制车身高度是不能与设计要求相符合，还可以进行第二个程度的控制，这一程序中会使用到专用的检具。在装配过程中，将下横臂装配孔轴线作为基准线对下横臂上一丁点与基准线之间的垂直距离进行量取。

经过联接下横臂和推力杆后端和热处理之后，扭杆弹簧本身会承受相应的扭转力矩载荷，产生永久变形之后就会产生相应的预应力，这样一来实际工作中的应力就会适当减小，这对扭杆弹簧寿命的延长是非常有利的。

5 结束语

综上所述，随着生活水平的逐渐提高，人们越来越重视汽车的舒适性和平顺性。扭杆弹簧在车体的支撑、缓和汽车行驶过程中的冲击力等方面发挥着重要作用，有了扭转弹簧的帮助，即使是在不平路面上高速行驶，也可以保证一定的平稳性与舒适性。

参考文献

[1]肖永清.汽车悬挂上的扭杆弹簧及其应用[J].汽车工程师，2010（9）.

[2]张宏涛.两级扭杆弹簧的结构设计与有限元分析[D].南京航空航天大学，2007.

[3]刘道春.弹性元件在汽车悬架上的应用[J].汽车工程师，2009（4）.