扭杆弹簧

扭杆弹簧设计
倪明明
作为悬架弹性元件的—种——扭杆弹簧的两端分别与车架(车身)和导向臂连接。

工作时扭杆弹簧受扭转力矩作用。

一、扭杆弹簧优点：
（1）单位质量的储能是钢板弹簧的3倍，所以采用扭杆弹簧的悬架质量轻、结构简单、占用空间小。

（2）悬架扭杆固定在车身上，减小了非簧载质量，提高汽车的平顺性和操控稳定性。

（3）可通过调整扭杆弹簧固定端的安装角度，实现对车身高度的调节。

（4）扭杆弹簧在越野车、轻型客、货车上应用比较广泛。

在轿车悬架上也有使用（雷诺-5型、富康）。

二、扭杆弹簧分类
按照断面形状不同，扭杆弹簧分为圆形、管形、片形等几种。

（1）圆形断面扭杆工艺性良好和装配容易而得到广泛应用。

采用圆断面组合式扭杆时，可以用2、4或6根组合形成的组合式扭杆。

故在本次设计的悬架中选取圆形断面
扭杆。

（2）管形断面扭杆有材料利用合理和能够用来制作组合式扭杆的优点。

（3）片形断面扭杆在一片断了以后仍能工作，所以工作可靠性好，除此之外还有工艺性良好、弹性好、扭角大等优点。

三、扭杆弹簧的设计
设计扭杆弹簧需要确定的主要尺寸有扭杆直径d和扭杆长度L
扭杆弹簧采用45CrNiMoVA优质合金弹簧钢制造扭杆。

采用淬火，回火热处理工艺，表面硬度在44～52HRC。

为了提高疲劳强度，扭杆需要经预扭和喷丸处理。

经过预扭和喷丸处理
的扭杆许用切应力[τ]可在800～900MPa 范围内选取，轿车可取上限，货车宜取下限。

本次设计案例是是轿车，故[τ
]=900MPa
设计时应当根据最大扭矩计算扭杆直径d
设计时以乘坐5人为上限，没人以65Kg 计算，空载时前轴荷分配为60%，依据《汽车设计》（第四版，吉林大学出版社），满载前轴荷分配在47%～60%，在此取满载前轴荷分配为54%。

对于圆截面的扭杆弹簧的两端花键连接，应力集中系数 1.2t K =， 1.25N =则产生的扭转力F 为
1.2 1.25(1365565)9.854%/2
6707.61F N
=⨯⨯+⨯⨯⨯=
3max 6707.61180101207.37M FR N m -==⨯⨯=g
18.97d mm =
=
= 取整后得：d=20mm
式中，Mmax 为扭杆承受的最大扭矩；τ为扭转切应力，可取允许扭转切应力(900MPa)代人计算。

所以200.08d
mm =±
扭杆弹簧可分为端部、杆部和过渡段三部分。

（1）端部渐开线花键设计(摘自GB/T 3478.1-1995)
为使端部和杆部寿命一样，推荐端部直径D=(1.2～1.3)d=（24～26）mm
取 D=26mm
花键轴大经上偏差为0，公差等级选为IT6，查《机械制图》（第五版，高等教育出版社）常用及优先轴公差带极限偏差（GB/T 1800.4--1999）得下偏差为-0.013mm
所以 0
0.01326626D h mm -==
花键长度0.40.42610.4l D mm ==⨯=
查常用键的长度系列(GB/T 1095--2003)值得：10l mm =
两端采用无切削加工的直齿渐开线花键联结，花键标准压力角为0
45，模数取1。

R=依据表二，选取铣切深度H=5mm ,铣切宽度B=4mm ,过渡圆弧半径26mm
花键齿数: z=11
根据表三，花键长度和公差等级，选取齿向公差β
（2）过渡段设计
从端部直径到杆部直径之间的一段称为过渡段。

为了使这段应力集中降到最小，过渡段 的尺寸应该是逐渐变化的。

过渡段长00
2620
11.202tan152tan15
g D d L mm --≈
==
取整得12g L mm =
过渡圆弧半径2
211.20262022.41426204
g L D d R mm D d --=
+=+=-- 取整得23R
mm =
过渡段可以分为靠近直径为D 的花键端部的非有效部分和靠近直径为d 的杆部的有效部分，即这一部分可以看作是扭杆工作长度的一部分，称为有效长度Le
有效长度Le 可用下式计算
232312202020332626267.26g e L d d d L D D D mm
⎡⎤⎡⎤
⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=++=++⎢⎥⎢⎥
⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=
设计前应当根据对汽车平顺性的要求，先行选定悬架的刚度c n
该设计要求是轿车，对平顺性要求很高，因此选取悬架的固有频率0 1.0f Hz = 由
0f =
得：
()22220244 1.0136556554%/218014.00/n c f m N m
ππ==⨯⨯⨯+⨯⨯=
扭杆的工作长度0L 用下式计算
434
4
60(2010)
7.71010
671.453232
18014.00
n
d G
L mm c ππ-⨯⨯⨯⨯⨯=
=
=⨯
取0672L mm =
式中，G 为切变模量，设计时取47.710G MPa =⨯；c n 为扭杆的扭转刚度。

分析上式可知：扭杆直径d 和有效长度L 对扭杆的扭转刚度c n 有影响。

（1）增加扭杆直径d 会使扭杆的扭转刚度c n 增大，n c d ∝即，所以汽车平顺性变坏。

（2）增加扭杆有效长度L 能减小扭杆的扭转刚度c n ，1
n c L
∝
即使汽车平顺性获得改善。

扭杆的工作长度L 等于杆身长Lo 再加上有效长度Le 的两倍，即 0267227.26686.52e L L L mm =
+=+⨯=
根据表一，扭杆直线度公差为 1.5mm ± 所以686.5 1.5L
mm =±
四、扭杆弹簧的校核
（1）设计前应当根据对汽车平顺性的要求，先行选定悬架的刚度c n 。

该设计要求为轿车，，平顺性要求很高。

扭转刚度：()
4
346
4
3
2010
7.41010169.3/3232686.510
n
d G
c N mm L
ππ--⨯⨯⨯⨯⨯=
=
=⨯⨯
满足轿车的舒适性要求
（2）校核渐开线花键强度能否满足扭矩要求 ()
m a x 33
221207.37
18.70.811(0.71)(1010)2110p m M MPa zhld σψ--⨯=
==⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
满足《机械设计》（第八版，高等教育出版社），表6-3（花键许用应力）
要求的35p MPa σ≤
0=0.70.8=.h =0.80.810.8212
m m h m mm
D d
d d mm
ψψψα==⨯=+==表示载荷分配不均匀系数，与齿数有关，一般～，
齿数多时选取较小值，本设计中取07z 表示花键齿数l 表示花键工作长度
表示花键齿侧面工作高度，对于渐开线花键，压力角45时，为花键平均直径，
五、参考文献
[1]王望予. 汽车设计. 第四版. 北京：机械工业出版社，2011.5 [2]余志生. 汽车理论. 第五版. 北京：机械工业出版社，2011，1 [3]陈家瑞. 汽车构造（下册）. 第三版. 北京：机械工业出版社，2010，7 [4]濮良贵，纪名刚. 机械设计. 第八版. 北京：高等教育出版社，2006.5
[5]刘朝儒，吴志军，高政一. 机械制图. 第五版. 北京：高等教育出版社，2001，8。