淺析扭桿彈簧在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王曉軍

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淺析扭桿彈簧在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王曉軍

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，懸架系統(tǒng)作為整車最重要的承載部分發(fā)展變化越來越多，結(jié)構(gòu)也更加多樣化。扭桿彈簧作為承載系統(tǒng)中的彈性元件以其特有的優(yōu)勢占非常重要的作用，而且越來越多的應(yīng)用在輕型卡車、轎車、SUV、皮卡及多功能商用車中。文章從設(shè)計(jì)角度給出懸架用扭桿彈簧的剛度的計(jì)算方法，便于整車設(shè)計(jì)參考。

懸架系統(tǒng)；扭桿彈簧；彈性元件；剛度

1 扭桿彈簧的優(yōu)點(diǎn)

扭桿彈簧是利用材料的彈性以及本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能或?qū)⒆冃文苻D(zhuǎn)化為機(jī)械功或動(dòng)能的彈性零部件，是利用其工作時(shí)材料的彈性扭轉(zhuǎn)變形作彈簧作用。

扭桿彈簧通常用合金彈簧鋼、橡膠或玻璃增強(qiáng)塑料等材料制成，廣泛的應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)，車身穩(wěn)定系統(tǒng)及整車平衡系統(tǒng)，其中懸架系統(tǒng)采用的合金鋼扭桿彈簧應(yīng)用最為廣泛。

扭桿彈簧在整車布置上一端與車架固定連接，一端與懸架承載導(dǎo)向臂連接，在整車運(yùn)動(dòng)過程中通過扭桿的扭轉(zhuǎn)變形達(dá)到緩沖作用，同時(shí)通過調(diào)整扭桿調(diào)整臂的角度可以調(diào)節(jié)整車高度和懸架系統(tǒng)的靜態(tài)剛度。當(dāng)汽車在運(yùn)行過程中經(jīng)過不平整路面時(shí)，車輪受地面影響上下跳動(dòng)，懸架調(diào)整臂也會(huì)隨之上下擺動(dòng)，帶動(dòng)扭桿彈簧做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，吸收沖擊能量減少路面對整車的沖擊，使車輛平穩(wěn)運(yùn)行。

相比其他彈性元件，扭桿彈簧具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單便于加工，自重輕單位重量儲(chǔ)能大，占用空間小易于布置等特點(diǎn)。

2 扭桿彈簧的類型

經(jīng)過多年的發(fā)展，扭桿彈簧結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，根據(jù)扭桿斷面形狀，扭桿彈簧可以分為實(shí)心圓柱扭桿彈簧、實(shí)心圓錐扭桿彈簧、管狀扭桿彈簧、橢圓形扭桿彈簧、正方形扭桿彈簧、矩形扭桿彈簧、三角形扭桿彈簧等。

圖1 扭桿彈簧分類一

按照不同的結(jié)構(gòu)形式，扭桿彈簧可以分為單扭桿彈簧、束狀扭桿彈簧、疊片扭桿彈簧、串聯(lián)扭桿彈簧和并聯(lián)扭桿彈簧幾種形式。

圖2 扭桿彈簧分類二

在汽車設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，一般采用合金鋼實(shí)心圓柱單扭桿彈簧作為懸架系統(tǒng)彈性元件。

3 扭桿彈簧的設(shè)計(jì)方法

圖3 扭桿彈簧設(shè)計(jì)流程

扭桿彈簧作為懸架系統(tǒng)重要的彈性元件，其設(shè)計(jì)方法與整車前后軸荷、整車高度和布置空間尺寸等相關(guān)參數(shù)密切相關(guān)。在整車設(shè)計(jì)中需要確定扭桿彈簧相關(guān)設(shè)計(jì)需根據(jù)這些整車參數(shù)計(jì)算扭桿彈簧直徑、剛度及端面形狀尺寸，通常是根據(jù)扭桿彈簧的參數(shù)選用經(jīng)過市場驗(yàn)證的成熟產(chǎn)品。

3.1 扭桿彈簧剛度計(jì)算

扭桿彈簧在整車運(yùn)動(dòng)過程中，受力主要是扭桿兩端扭轉(zhuǎn)力矩作用。扭桿彈簧計(jì)算主要應(yīng)用材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度，長度及端面直徑，確定扭桿在不同角度下的剛度，計(jì)算扭桿在極限角度下的剪切應(yīng)力，對比選用材料的剪切應(yīng)力，分析懸架系統(tǒng)是否安全可靠。

3.2 單體剛度和應(yīng)力計(jì)算

扭桿彈簧根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為端部，過渡段及有效段三個(gè)部分，其中對設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的是有效段的長度和直徑。實(shí)際計(jì)算過程中，因制作工藝要求，過渡段有圓弧形和錐形。圓錐過渡段扭桿彈簧較為常用，本文以錐形過渡段扭桿彈簧剛度計(jì)算如例：

3.2.1過渡段為30°椎體的扭桿彈簧有效工作長度計(jì)算

圖4 扭桿彈簧有效工作長度計(jì)算

過渡段長度Lb：

有效長度Le：

桿身長度La：

La=L–2×（Lb+Lc）

有效工作長度Le：

Le=La+2×le

其中：

D-扭桿彈簧大端直徑；

d-扭桿彈簧桿身直徑；

L-扭桿彈簧總長；

Lc-扭桿彈簧大端長度；

3.2.2單體扭桿彈簧剛度計(jì)算

根據(jù)材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)相關(guān)知識(shí)計(jì)算，單體扭轉(zhuǎn)彈簧剛度KT為：

G為材料的剪切模量：7700kgf/mm2

某國產(chǎn)皮卡車型選用扭桿彈簧大端直徑為：32mm，大端長度：25mm，桿身直徑為：24mm，扭桿彈簧總體長度為：894mm，過渡段錐度為：30°；根據(jù)如上公式計(jì)算結(jié)果如下：

表1 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

扭桿彈簧單體剛度計(jì)算是整車懸架系統(tǒng)剛度計(jì)算基礎(chǔ)，本文以一種扭桿彈簧為基礎(chǔ)提供一種單體剛度計(jì)算方法，對于懸架設(shè)計(jì)具有一定的學(xué)習(xí)和借鑒意義。

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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

U462

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1671-7988(2018)24-203-03

U462

王曉軍，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，研究方向?yàn)榈妆P、動(dòng)力系統(tǒng)零部件開發(fā)與匹配。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.073