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）TheAnalysisonDesignandCountMethodoftheCarTorsionBarSpringGUO激ng-fan，CUIJun-激e，CHANGCheng，ZHAOXin（MechanicalandElectricalEngineeringCollege，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China）Abstract：Itmainlyintroducesthestructureandseveraldesignandcountmethodsofthetorsionbarspring，anditwillbecompariedbythethreemethodsandexplainedtheadvantagesanddisadvantages，whichprovidesthereferenceforthedesignandcountofthetorsionbarspring.Keywords：torsionbarspring;suspension;designandcount1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·J［p1-（准－α）·cot准］刚度C有：L·R·2sin2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Fn＝F·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·cosα-R·cos准Ck=G·Jp扭杆的角刚度为LFn·R＝C·k（准－α）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Fn（准－α）F·nR＝CkF＝＝sin准R·sin准R·sin准求导得dF=Ck·sin准-（准－α）·cos准·d准Rsin2准df=R·sin准·d准C=dF=Cksin准-（准－α）·cos准·1dfRsin2准R·sin准=G·J·［1－（准－α）·cos准］L·R2·sin2准L图1扭杆弹簧α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：TH135文献标识码：A：1002－2333（2011）07－0043－02学术交流ACADEMICCOMMUNICATION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；α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，所得扭由f=RC，C=P可推出：3fC＝P·1＋（α＋β）tanαRR（α＋β）cosα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α值或β值，根据重新确定的C值，对β或α用牛顿迭代法进行求解，再根据重新求得的β或α值算出C2：Cp·GD=1.59·fτ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/d＝1/2~1.3）；f=fd+fc是悬架总挠度；Cp是平均刚度；τ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（α＋β）tanαC2＝1＋CR22cosα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T＝...