某微型貨車扭桿彈簧的總體設(shè)計

韓麗，孔德琨

前言

扭桿作為一種彈性元件，已被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的各種懸架中。原因如下：扭桿彈簧的單位質(zhì)量儲能量是鋼板彈簧的兩到三倍，可節(jié)省材料，利于輕量化；其次，它比螺旋彈簧占用空間小，布置方便；同時，扭桿彈簧本身固定在車架上降低了非簧載質(zhì)量，有利于改善行駛平順性；還可以調(diào)節(jié)車身高度等等。

為滿足不同客戶市場需要，完善車型譜系，某汽車公司開發(fā)了一款微型貨車，該車前懸架系統(tǒng)便采用了不等長雙橫臂、上置扭桿彈簧式獨立懸架結(jié)構(gòu)。根據(jù)該車設(shè)計參數(shù)要求，需要對其扭桿彈簧進(jìn)行設(shè)計開發(fā)與計算。

1、前懸架模型

該系新車型開發(fā)對標(biāo)韓國某款車型（標(biāo)桿車），通過利用CATIA軟件，逆向建模，創(chuàng)建該車型前懸架模型結(jié)構(gòu)。該車型前懸架為不等長上、下雙橫臂，上置扭桿彈簧式獨立懸架，如圖1。

2、扭桿彈簧設(shè)計計算

2.1 扭桿彈簧結(jié)構(gòu)尺寸

在扭桿彈簧懸架設(shè)計中，根據(jù)整車性能達(dá)標(biāo)書所給定的參數(shù)和行駛平順性要求，確定懸架偏頻的范圍（一般選取乘用車經(jīng)驗值水平），然后初步確定懸架剛度值K。關(guān)系如下：

因此，在保證懸架剛度要求的同時，必須考慮整車的可靠性使用壽命，即不能超出根據(jù)壽命和強(qiáng)度所確定的扭桿彈簧的應(yīng)力值。最后根據(jù)標(biāo)桿對比分析，初步確定扭桿彈簧工作直徑為22.8mm，長度為1020mm，材質(zhì)選取為60Si2MnA（常用）。具體圖紙如圖2，端部為圓弧形過渡。

2.2 扭桿彈簧校核計算

2.2.1 扭桿彈簧有效工作長度計算

該車型扭桿彈簧的截面為圓形截面，端部是圓弧形過渡，過渡段長度bL：

L為扭桿長度，由圖紙可知為1020mm；Lf為當(dāng)量長度，其計算公式為：

桿身長度La： La= L - 2(Lb+Lc)

有效工作長度： Le= La+2Lf

式中，d為工作直徑22.8mm；D為端部直徑30.75mm (兩端直徑一致)；Lc為圓弧過渡部分長度22mm，由以上公式，最終計算得出扭桿彈簧有效工作長度Le為952.2mm。

2.2.2 扭桿彈簧剛度的計算

扭桿彈簧剛度KT：

計算式中，G為剪切彈性模數(shù)， 取G=75460N/mm2；L為952.2mm；計算得：KT=36.7N.m/°

3、前懸架的剛度計算及驗證

3.1 前懸架的剛度計算

扭桿彈簧懸架的剛度取決于扭桿彈簧剛度和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)型式，雖然扭桿本身具有不變的剛度，但由于有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，使扭桿彈簧懸架的剛度不是一個常數(shù)而呈非線性變化。此懸架系統(tǒng)空、滿載時的結(jié)構(gòu)簡化示意形式如圖4。

根據(jù)上圖4，可得出前懸架的剛度計算公式如下：

其中，K為前懸架剛度，P為簧下載荷，T為扭桿的扭轉(zhuǎn)力矩，φ為扭桿的扭轉(zhuǎn)角度，KT為扭桿的剛度。通過計算可得出，空載狀態(tài)前懸架剛度為 51.3N/mm，滿載狀態(tài)前懸架剛度為51.8N/mm。

3.2 扭桿強(qiáng)度計算

其中 Mmax= KT*θmax

式中，τmax為扭桿最大剪切應(yīng)力；Mmax為扭桿最大扭轉(zhuǎn)力矩，取前懸架上跳極限狀態(tài)的扭桿扭矩為扭桿所受最大扭矩；θmax為扭桿最大扭角。根據(jù)對前懸架力學(xué)計算以及模型分析，得出扭桿極限位置扭轉(zhuǎn)角度為52.5°，從而根據(jù)以上計算公式可得出扭桿最大扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τmax大小為828 N/mm，小于材料（60Si2MnA）的屈服強(qiáng)度1372 N/mm，滿足使用要求。

3.3 前懸架偏頻的計算

在汽車懸架設(shè)計中，主要以車身振動的固有頻率(俗稱偏頻)作為評價平順性的重要指標(biāo)。人體所習(xí)慣的垂直震動頻率是步行時身體上下運(yùn)動的頻率，約為1.0-1.6Hz。此車型采用乘用車的標(biāo)準(zhǔn)水平，要求前懸架偏頻范圍在為 1.0-1.6Hz之間。

其中：K為懸架剛度；M為懸架的簧載質(zhì)量；f為懸架的垂直變形。由以上計算公式，可以得出前懸架滿載偏頻為1.49Hz，由此可知， 前懸架滿載偏頻計算結(jié)果滿足使用要求。

3.4 試驗驗證

經(jīng)系統(tǒng)的計算校核，整車前懸架偏頻符合整車初步設(shè)計要求，扭桿彈簧結(jié)構(gòu)與尺寸也符合整車總布置要求。根據(jù)最終定型結(jié)果，將扭桿彈簧的整體數(shù)據(jù)發(fā)往供方廠家進(jìn)行模具件制作開發(fā)，開發(fā)后裝車驗證，經(jīng)過多輪的產(chǎn)品試驗車在定遠(yuǎn)試驗場進(jìn)行20萬公里可靠性試驗，以及扭桿彈簧本身的臺架試驗報告，試驗結(jié)果證明扭桿彈簧的設(shè)計符合整車的開發(fā)要求。

4、總結(jié)

本文整體結(jié)合實際車型的開發(fā)，利用CATIA軟件進(jìn)行逆向建模與分析，初步定型，然后對扭桿彈簧進(jìn)行了設(shè)計分析與計算，同時又對最后的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了臺架和可靠性驗證，驗證結(jié)果表明可以滿足實際使用條件。

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