浅析扭杆弹簧在汽车设计中的应用

王晓军



浅析扭杆弹簧在汽车设计中的应用

王晓军

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着现代汽车工业的发展，悬架系统作为整车最重要的承载部分发展变化越来越多，结构也更加多样化。扭杆弹簧作为承载系统中的弹性元件以其特有的优势占非常重要的作用，而且越来越多的应用在轻型卡车、轿车、SUV、皮卡及多功能商用车中。文章从设计角度给出悬架用扭杆弹簧的刚度的计算方法，便于整车设计参考。

悬架系统；扭杆弹簧；弹性元件；刚度

1 扭杆弹簧的优点

扭杆弹簧是利用材料的弹性以及本身的结构特点，将机械功或动能转化为变形能或将变形能转化为机械功或动能的弹性零部件，是利用其工作时材料的弹性扭转变形作弹簧作用。

扭杆弹簧通常用合金弹簧钢、橡胶或玻璃增强塑料等材料制成，广泛的应用于汽车悬架系统，车身稳定系统及整车平衡系统，其中悬架系统采用的合金钢扭杆弹簧应用最为广泛。

扭杆弹簧在整车布置上一端与车架固定连接，一端与悬架承载导向臂连接，在整车运动过程中通过扭杆的扭转变形达到缓冲作用，同时通过调整扭杆调整臂的角度可以调节整车高度和悬架系统的静态刚度。当汽车在运行过程中经过不平整路面时，车轮受地面影响上下跳动，悬架调整臂也会随之上下摆动，带动扭杆弹簧做扭转运动，吸收冲击能量减少路面对整车的冲击，使车辆平稳运行。

相比其他弹性元件，扭杆弹簧具有成本低，结构简单便于加工，自重轻单位重量储能大，占用空间小易于布置等特点。

2 扭杆弹簧的类型

经过多年的发展，扭杆弹簧结构形式也多种多样，根据扭杆断面形状，扭杆弹簧可以分为实心圆柱扭杆弹簧、实心圆锥扭杆弹簧、管状扭杆弹簧、椭圆形扭杆弹簧、正方形扭杆弹簧、矩形扭杆弹簧、三角形扭杆弹簧等。

图1 扭杆弹簧分类一

按照不同的结构形式，扭杆弹簧可以分为单扭杆弹簧、束状扭杆弹簧、叠片扭杆弹簧、串联扭杆弹簧和并联扭杆弹簧几种形式。

图2 扭杆弹簧分类二

在汽车设计和应用中，一般采用合金钢实心圆柱单扭杆弹簧作为悬架系统弹性元件。

3 扭杆弹簧的设计方法

图3 扭杆弹簧设计流程

扭杆弹簧作为悬架系统重要的弹性元件，其设计方法与整车前后轴荷、整车高度和布置空间尺寸等相关参数密切相关。在整车设计中需要确定扭杆弹簧相关设计需根据这些整车参数计算扭杆弹簧直径、刚度及端面形状尺寸，通常是根据扭杆弹簧的参数选用经过市场验证的成熟产品。

3.1 扭杆弹簧刚度计算

扭杆弹簧在整车运动过程中，受力主要是扭杆两端扭转力矩作用。扭杆弹簧计算主要应用材料力学相关知识，计算扭转角度，长度及端面直径，确定扭杆在不同角度下的刚度，计算扭杆在极限角度下的剪切应力，对比选用材料的剪切应力，分析悬架系统是否安全可靠。

3.2 单体刚度和应力计算

扭杆弹簧根据结构可以分为端部，过渡段及有效段三个部分，其中对设计最为关键的是有效段的长度和直径。实际计算过程中，因制作工艺要求，过渡段有圆弧形和锥形。圆锥过渡段扭杆弹簧较为常用，本文以锥形过渡段扭杆弹簧刚度计算如例：

3.2.1过渡段为30°椎体的扭杆弹簧有效工作长度计算

图4 扭杆弹簧有效工作长度计算

过渡段长度Lb：

有效长度Le：

杆身长度La：

La=L–2×（Lb+Lc）

有效工作长度Le：

Le=La+2×le

其中：

D-扭杆弹簧大端直径；

d-扭杆弹簧杆身直径；

L-扭杆弹簧总长；

Lc-扭杆弹簧大端长度；

3.2.2单体扭杆弹簧刚度计算

根据材料力学扭转相关知识计算，单体扭转弹簧刚度KT为：

G为材料的剪切模量：7700kgf/mm2

某国产皮卡车型选用扭杆弹簧大端直径为：32mm，大端长度：25mm，杆身直径为：24mm，扭杆弹簧总体长度为：894mm，过渡段锥度为：30°；根据如上公式计算结果如下：

表1 计算结果

4 结束语

扭杆弹簧单体刚度计算是整车悬架系统刚度计算基础，本文以一种扭杆弹簧为基础提供一种单体刚度计算方法，对于悬架设计具有一定的学习和借鉴意义。

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Analysis of the Application of Torsion Bar Spring in Automobile Design

Wang Xiaojun

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the development of the automobile industry, as the most important bearing part of the whole vehicle, the suspension system has been increasingly improved while its structures more diversified. Torsion bar spring, as elastic components in the load-bearing system, plays a very important role due to its unique advantage, and is used more frequently in light trucks, cars, SUVs, pickups and multi-purpose commercial vehicles. This paper gives the stiffness calculation method of torsion system from the design perspective, so as to facilitate the whole vehicle design.

suspension system; torsion bar spring;elastic element; stiffness

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1671-7988(2018)24-203-03

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王晓军，男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，研究方向为底盘、动力系统零部件开发与匹配。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.073