某微型货车扭杆弹簧的总体设计

韩丽，孔德琨

前言

扭杆作为一种弹性元件，已被广泛的应用于现代汽车的各种悬架中。原因如下：扭杆弹簧的单位质量储能量是钢板弹簧的两到三倍，可节省材料，利于轻量化；其次，它比螺旋弹簧占用空间小，布置方便；同时，扭杆弹簧本身固定在车架上降低了非簧载质量，有利于改善行驶平顺性；还可以调节车身高度等等。

为满足不同客户市场需要，完善车型谱系，某汽车公司开发了一款微型货车，该车前悬架系统便采用了不等长双横臂、上置扭杆弹簧式独立悬架结构。根据该车设计参数要求，需要对其扭杆弹簧进行设计开发与计算。

1、前悬架模型

该系新车型开发对标韩国某款车型（标杆车），通过利用CATIA软件，逆向建模，创建该车型前悬架模型结构。该车型前悬架为不等长上、下双横臂，上置扭杆弹簧式独立悬架，如图1。

2、扭杆弹簧设计计算

2.1 扭杆弹簧结构尺寸

在扭杆弹簧悬架设计中，根据整车性能达标书所给定的参数和行驶平顺性要求，确定悬架偏频的范围（一般选取乘用车经验值水平），然后初步确定悬架刚度值K。关系如下：

因此，在保证悬架刚度要求的同时，必须考虑整车的可靠性使用寿命，即不能超出根据寿命和强度所确定的扭杆弹簧的应力值。最后根据标杆对比分析，初步确定扭杆弹簧工作直径为22.8mm，长度为1020mm，材质选取为60Si2MnA（常用）。具体图纸如图2，端部为圆弧形过渡。

2.2 扭杆弹簧校核计算

2.2.1 扭杆弹簧有效工作长度计算

该车型扭杆弹簧的截面为圆形截面，端部是圆弧形过渡，过渡段长度bL：

L为扭杆长度，由图纸可知为1020mm；Lf为当量长度，其计算公式为：

杆身长度La： La= L - 2(Lb+Lc)

有效工作长度： Le= La+2Lf

式中，d为工作直径22.8mm；D为端部直径30.75mm (两端直径一致)；Lc为圆弧过渡部分长度22mm，由以上公式，最终计算得出扭杆弹簧有效工作长度Le为952.2mm。

2.2.2 扭杆弹簧刚度的计算

扭杆弹簧刚度KT：

计算式中，G为剪切弹性模数， 取G=75460N/mm2；L为952.2mm；计算得：KT=36.7N.m/°

3、前悬架的刚度计算及验证

3.1 前悬架的刚度计算

扭杆弹簧悬架的刚度取决于扭杆弹簧刚度和导向机构型式，虽然扭杆本身具有不变的刚度，但由于有导向机构的作用，使扭杆弹簧悬架的刚度不是一个常数而呈非线性变化。此悬架系统空、满载时的结构简化示意形式如图4。

根据上图4，可得出前悬架的刚度计算公式如下：

其中，K为前悬架刚度，P为簧下载荷，T为扭杆的扭转力矩，φ为扭杆的扭转角度，KT为扭杆的刚度。通过计算可得出，空载状态前悬架刚度为 51.3N/mm，满载状态前悬架刚度为51.8N/mm。

3.2 扭杆强度计算

其中 Mmax= KT*θmax

式中，τmax为扭杆最大剪切应力；Mmax为扭杆最大扭转力矩，取前悬架上跳极限状态的扭杆扭矩为扭杆所受最大扭矩；θmax为扭杆最大扭角。根据对前悬架力学计算以及模型分析，得出扭杆极限位置扭转角度为52.5°，从而根据以上计算公式可得出扭杆最大扭转剪切应力τmax大小为828 N/mm，小于材料（60Si2MnA）的屈服强度1372 N/mm，满足使用要求。

3.3 前悬架偏频的计算

在汽车悬架设计中，主要以车身振动的固有频率(俗称偏频)作为评价平顺性的重要指标。人体所习惯的垂直震动频率是步行时身体上下运动的频率，约为1.0-1.6Hz。此车型采用乘用车的标准水平，要求前悬架偏频范围在为 1.0-1.6Hz之间。

其中：K为悬架刚度；M为悬架的簧载质量；f为悬架的垂直变形。由以上计算公式，可以得出前悬架满载偏频为1.49Hz，由此可知， 前悬架满载偏频计算结果满足使用要求。

3.4 试验验证

经系统的计算校核，整车前悬架偏频符合整车初步设计要求，扭杆弹簧结构与尺寸也符合整车总布置要求。根据最终定型结果，将扭杆弹簧的整体数据发往供方厂家进行模具件制作开发，开发后装车验证，经过多轮的产品试验车在定远试验场进行20万公里可靠性试验，以及扭杆弹簧本身的台架试验报告，试验结果证明扭杆弹簧的设计符合整车的开发要求。

4、总结

本文整体结合实际车型的开发，利用CATIA软件进行逆向建模与分析，初步定型，然后对扭杆弹簧进行了设计分析与计算，同时又对最后的设计结果进行了台架和可靠性验证，验证结果表明可以满足实际使用条件。

[1] 汽车工程手册一设计篇.人民交通出版社.2001．

[2] 余志生.汽车理论(第四版)．北京：北京工业出版社,2007．

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