汽车扭杆弹簧的设计计算方法分析

1、汽车扭杆弹簧的设计计算方法分析郭晶帆， 崔俊杰， 常成， 赵鑫（中北大学 机电工程学院，太原 030051）the analysis on design and count method of the car torsion bar springguo jing-fan， cui jun-jie， chang cheng， zhao xin（mechanical and electrical engineering college，north university of china，taiyuan 030051，china）abstract： it mainly introduces the

2、structure and several design and count methods of the torsion bar spring ， and it will be comparied by the three methods and explained the advantages and disadvantages ， which provides the reference for the design and count of the torsion bar spring.key words： torsion bar spring; suspension; design

3、and count1 引 言随着生活水平的提高，在现代汽车设计中，对汽车的 舒适性和平顺性的要求也逐渐提高，而扭杆弹簧由于其良好的减振性能以及结构简单、质量小、无需润滑等特点，在汽车上得到了广泛应用。扭杆弹簧，即一端固定而另一端与工作部件连接的 杆形弹簧，主要作用是靠扭转弹力来吸收振动能量。扭杆弹簧单位质量的储能量是钢板弹簧的 3 倍， 比螺旋弹簧还高。因此，采用扭杆弹簧的悬架质量较 小，结构简单，也不需要润滑，并且通过调整扭杆弹簧 固定端的安装角度，很容易就可以实现车身高度的自 动调节。此外，扭杆弹簧在汽车上的布置比较方便，可以与汽 车纵轴线平行布置，也可以横向布置。纵向布置时，可以 方便地

4、安装满足设计要求长度的扭杆，保证悬架具有良事实上，扭杆弹簧本身的扭转刚 度 是 一 个 固 定 值 ， 但是扭杆弹簧悬架 由于有导向机构的 原因，其悬架刚度 是可变的。在单纵臂扭转 弹 簧 独 立 悬 架 中 ， 综合考虑材料弹性模量，极惯性矩，纵臂长度以及工作长度，如图 2，其悬架c g·jp 1-（准）·cot准刚度 c 有：l·r·2 sin2准推导过程如下：设 f 为地面施加在纵臂端点的垂直力，fn 是其垂直于纵臂轴线的分量，有fnf·sin准好的性能。汽车车架与车轮用扭 杆弹簧，其一端固定在车 架上，另一端与车轮连接， 车轮上下跳动时

5、扭杆产生 扭转变形，靠扭转弹力来纵臂端点的垂直位移为 f=r·cos-r·cos准ck= g·jp扭杆的角刚度为lfn·rc·k （准）由于扭杆弹簧在安装时，都会预先加上一个较小的扭力，因此，此处的 f 是克服扭杆预扭矩以后的力。n吸收振动能量，其主要结构如图 1 所示。扭转弹簧按照其截面形状，可分为圆形、管型、片型 及组合式等，其中，圆形扭杆弹簧由于其结构简单，制造方便，使用最广。2 扭杆弹簧的设计计算在扭杆弹簧的设计中，根据汽车平顺性的要求，通常 首先确定一个平均刚度 cp，随后根据 cp 和扭杆尺寸参数之间的关系，得到扭杆长度 l 和断面

6、面积 a 等参数。fn （准）f·n r ckfsin准r·sin准r·sin准求导得 df= ck ·sin准-（准）·cos准 ·d准rsin2准df=r·sin准·d准c= df = ck sin准-（准）·cos准 ·1dfrsin2准r·sin准= g·j·1（准）·cos准l·r2·sin2准l图 1 扭杆弹簧准准扭杆fn 纵臂f图 2 单纵臂独立悬架和扭杆弹簧摘 要：重点介绍了扭杆弹簧的结构和几种设计计算方法，并将三种方法

7、进行了对比，阐述了其优缺点，可为扭杆弹簧 的设计计算提供参考。关键词：扭杆弹簧；悬架；设计计算中图分类号：th135文献标识码：a文章编号：10022333（2011）07004302学术交流 academic communication理论 / 研发 / 设计 / 制造其中，g 是材料剪切弹性模量；jp 是扭杆横截面的极惯性矩；r 是纵臂长度；l 是扭杆的工作长度； 是纵臂处 于最低位置时其轴线与铅垂线的夹角；准 是纵臂轴线与铅垂线的夹角。由于扭杆的扭转变形能 u 等于悬架变形功，所得扭 杆断面面积公式如下。由 f=rc ，c= p 可推出：3fc p ·1（）tanr r（）co

8、s对于计算得出的扭杆弹簧悬架的扭转刚度 c，可 以根据所设计的扭杆弹簧悬架的要求进行适当调整， 然后固定 值或 值，根据重新确定的 c 值，对 或 用牛顿迭代法进行求解，再根据重新求得的 或 值 算出 c2： cp·g d= 1.59·f 姨（1-r4）l其中，d 是扭杆外径；r=d/d 是内径与外径之比（一般情况下 d/d1/21.3）；f=fd+fc 是悬架总挠度；cp 是平均刚度；是扭杆的许用扭转应力；l 是扭杆长度。杆长 l 和摆臂长 r 可以根据静挠度 fc 和动挠度 fd 以 及允许的最大转角 max 来确定，最大容许转角 max 取决于（）tanc2 1cr2

9、2cos 随后可得：cs=c2当弹簧扭转角达到 准 时，它所受到的最大扭矩 tc 准s·l最大容许应力，即max根据材料力学公式 m 16t ，d316tg· jp姨 m可得圆形3dwp断面扭杆弹簧的断面直径，再根据材料力学公式 cs =其中 wp 为抗扭截面系数。对于圆形截面有 jp/wp=d/2，由·d441 g·d1 g·l此可得max 2·可推得：l=32l32csg·d此方法避免了对于扭臂位置所作出的假设，以及 取整值造成的误差问题，并且可以快速得到扭杆弹簧的 有效长度，提高了精度。但此法中对 或 的值需采用 牛顿

10、迭代法求解，人工计算量较大，需要额外编写程序 进行。在具体的设计中，应根据条件的不同，选择不同的设 计计算方案，从而达到预期目的。3 结 语当前，人们对汽车的舒适性和平顺性的要求越来越 高，特别是对客车和货车的舒适性要求也逐渐提高，而 扭杆弹簧在支撑车体、传递地面给车体的力，缓和车辆 在行驶时由车轮传给车体的冲击力，保证车辆在不平路 面高速行驶时的平稳性和乘员的舒适性中起到关键作 用，因此对扭杆弹簧的设计要求也越来越高。采用合理高效的设计方案，降低材料成本，缩短设计 周期，最大可能地提高扭杆弹簧的寿命和改善其抗蠕变 性能仍需我们不断地探索。参考文献1 吉林大学汽车工程系汽车构造（下册）（第五版

11、）m北京：人 民交通出版社，20062 王望予汽车设计m北京：机械工业出版社，20043 王霄锋汽车底盘设计m北京：清华大学出版社，20104 高海波，邓宗全，胡明.扭杆弹簧及扭杆弹簧悬架设计的新方法j.现代制造工程，2003（1）：55-57.（编辑 立 明）至此可用最优化方法确定扭杆的参数 d、r、l。方法一：采用简化计算，在决定扭臂长度 r 时，可以 做出两个假设，首先假设是当作用静载荷时，扭臂处于水平位置，其次，假设当扭角不大时 准d/准c=fd·fc，根据上述假 设，扭杆弹簧的动态扭角 准d 可以表示为：fd /fc准d=·准准c=准-准d1+fd /fc利用三角形几何关系即可求出扭臂长度 r，通常会得到两个值，取两者算术平均值即可。r 1 （fdfc+）2sin准dsin准c方法二：在计算出扭转刚度 c 和折算静变形 f 后，采用 sae 推荐的线图求解法。求出 f/r，从给定的图表中找到 c1、c2、c3 的值，求出 cs，根据 f2/r 可以求出 ，从而得出 准max 和 mmax，再根据相 应的公式即可求出直径 d 和有效长度 l，但是这种方法 比较明显的缺陷就是 的取值在线图中只能取 10°、20°、30°这样的整值，因而最后的计算结果与真实值之间会有 一定误差。方 法 三 ：如图 3 已知载荷 p、 在载荷