基于汽车扭杆弹簧结构分析和改进

2014年第7期（总第371期）│企业科技与发展│
qiyekejiyufazhan
扭杆弹簧作为弹性元件，由于其单位质量所储存能量比其他弹簧储存能量大，且结构相对紧凑，易于布置，在汽车设计和制造中得到了广泛的应用[1]。

影响扭杆弹簧性能的因素很多，主要有几何尺寸、材料、热处理工艺、预扭和喷丸等。

在设计扭杆弹簧几何尺寸时，扭杆直径和长度对于扭杆弹簧性能影响很大。

现阶段，制造扭杆弹的材料很多，主要包括50CrVA 、60Si2Mn 、40Cr 和60CrA 等弹簧钢。

针对选材的不同，对应采用的热处理工艺也有很大区别，例如50CrVA 和60Si2Mn 主要采用整体淬火方式，40Cr 主要采用感应淬火。

不同的淬火方式得到的扭杆弹簧性能也存在差异。

HyperWorks 是由Altair 公司设计研发的一款有限元仿真软件，具有强大的前后处理功能。

同时，可以对模型进行优化设计，在整车和零部件研发中，得到了十分广泛的应用。

1问题阐述
某商用车扭杆弹簧总成由扭杆、摇臂、控制臂、定位螺栓、
防尘罩和其他附件组成。

其中，摇臂与前桥下摆臂通过花键连接，控制臂与车架横梁通过下臂轴连接。

扭杆弹簧在整车行驶过程中，主要承受汽车颠簸时产生的扭矩。

扭杆弹簧的台架试验规定满足循环40万次不损坏。

扭杆弹簧组成如图1所示。

某车辆在用户使用过程中，出现扭杆弹簧突然断裂的现象，断裂部分在限位螺栓附近，位置在墩头过渡区域，由于整
体淬火方式对过渡部分存在热处理缺陷，导致该区域存在脱碳现象，厚度为80μm ，断裂呈螺旋形。

经过硬度检测和晶相组织分析结果显示，断裂处扭杆弹簧硬度分布不均，有些地方的硬度低于图纸要求值。

由于扭杆弹簧为底盘安全结构件，关系到乘员的人身安全，所以必须彻底解决扭杆弹簧断裂问题。

本文主要从扭杆弹簧的设计和材料入手解决其断裂问题。

扭杆断裂情况如图2所示。

2扭杆弹簧有限元分析
有限元分析基本步骤分为三维数模建立，几何清理，网格
划分，添加属性，施加载荷和载荷步，结果分析。

2.1三位数模的建立
通过三维绘图软件UG 建立扭杆弹簧三维数模，为满足有限元分析要求，对扭杆端头处花键进行简化处理（如图3和图4所示）。

【作者简介】郭长城，硕士研究生，一汽通用轻型商用汽车有限公司底盘工程师，从事转向系统和悬架系统的设计开发工作；李明，一汽大众汽车
有限公司质量体系工程师，从事质量体系建立和管理等工作。

基于HyperWorks 汽车扭杆弹簧结构分析和改进
郭长城1，李
明2
（1．一汽通用轻型商用汽车有限公司，吉林长春130033；2．一汽大众汽车有限公司，吉林长春130000）【摘要】文章针对某车型实际使用过程中出现的扭杆弹簧断裂问题，对扭杆弹簧结构进行CAE 分析，观察其应力云图，通过对材料和热处理方式进行研究，改进扭杆弹簧结构，增强扭杆弹簧的疲劳寿命。

优化方式在台架试验和整车道路试验得到了验证，彻底解决了扭杆弹簧断裂问题。

【关键词】扭杆弹簧；HyperWorks ；热处理；有限元【中图分类号】U463.33【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2014）07-0015-03图1扭杆弹簧组成
注：1．扭杆
；2．调整臂；3
．摇臂；4．防尘罩．后限位螺栓；6．前限位螺栓。

1 2 34
6
5
图2扭杆断裂
图4扭杆弹簧三维数模
图
3扭杆弹簧示意图（单位：mm
）
894
27
15
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2.2网格划分
网格划分是非常重要的步骤，网格划分的方式、网格数量和网格质量对于有限元分析结果影响很大。

通过对扭杆弹簧结构进行分析，四面体网格和六面体网格对分析计算结果精度影响很小，因此采用四面体绘制网格。

其中，节点数为74305个，四面体网格为345046个。

扭杆弹簧网格划分如图5所示。

2.3添加属性与施加约束载荷
扭杆弹簧原设计材料为50CrVA ，弹性模量E ＝2.06×e 6MPa ，泊松比滋＝0.3。

由于扭杆弹簧的实际受力情况比较复杂，所以进行有限元分析的时候，近似简化为一端为固定约束，另一端施加扭矩M ＝1.65×e 6N ·mm 。

同时，在限位螺栓处施加载荷F ＝5556N 。

完整的有限元模型如图6所示。

2.4有限元结果分析
通过有限元结果分析可以看出，固定端限位螺栓处有明显的应力集中现象，且此处应力比极限应力大300MP 左右，这也是造成扭杆弹簧断裂的主要因素。

应力云图如图7所示，应变云图如图8所示。

原设计是为了满足装配工艺需求，便于实现整车装配，防止调整臂和摇臂在运输过程中出现脱落现象。

为了防止扭杆弹簧在限位螺栓处出现应力集中现象，将两端限位螺栓取消，同时更改装配工艺流程。

结构更改后的应力云图如图9所示，应变云图如图10所示。

通过计算结果可知，扭杆弹簧的应力为880MPa ，扭杆弹簧经过淬火和回火的热处理后，应力为1000～1090MPa ，完全满足使用要求[2]。

3扭杆弹簧热处理分析
扭杆弹簧的热处理方式有整体淬火、高频感应淬火、中频感应淬火和渗碳淬火等。

原设计的扭杆弹簧材料为50CrVA ，其热处理方式为整体淬火。

具体热处理工艺为淬火→回火→校直→去应力回火[3]，为保证扭杆弹簧硬度要求，淬火温度应控制在880±10℃，回火的温度应控制在300℃。

整体淬火是在炉内完成，需要严格地控制炉内温度，且对脱碳量也要求精确。

由于扭杆弹簧供货商热的处理设备落后，导致脱碳量明显超标，降低了扭杆弹簧的硬度，无法满足硬度要求，这也是造
成扭杆弹簧断裂的因素之一。

感应淬火是通过电磁感应线圈对零件进行加热，加热速度快且温度稳定，零件表面脱碳量小，能够有效地保证扭杆弹簧的硬度。

由于感应淬火主要对零件表面进行加热，使扭杆弹簧硬度由芯部往外是逐渐变化的，明显地增加了扭杆弹簧的弹性，且零件变形量小。

常见的感应淬火的扭杆弹簧材料为42CrMo 和40Cr ，而在感应淬火前，需要进行调制处理。

一般情况下，感应淬火后，扭杆弹簧表面硬度为HRC52-58，芯部硬度为HRC28-32，淬硬层深
度为直径的18%～22%[4]。

由于扭杆弹簧
图5扭杆弹簧网格划分
图6扭杆弹簧有限元模型
1.65e 图7应力云图（单位：MPa ）
应力集中处
图8应变云图（单位：MPa
）
图9结构更改后的应力云图（单位：MPa
）
图10结构更改后的应变云图（单位：mm
）
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的疲劳寿命受表面材料状态影响较大，因此材料表面应避免出现裂纹、划痕和腐蚀等缺陷。

同时，通过喷丸强化处理，不仅可以提高扭杆弹簧的疲劳强度，还可以消除扭杆弹簧内部残余应力和加工所产生的缺陷和痕迹。

此外，在包装出厂前必须进行100%的磁力探伤检查。

通过对扭杆弹簧垂直X 方向剖面的应力云图和垂直Y 方向剖面应变云图进行分析（如图11和图12所示），当扭杆弹簧受到扭矩作用时，扭杆弹簧的应力和应变均是由芯部往外逐渐增大，且递增效果十分明显。

整体淬火方式使扭杆弹簧芯部和表面的硬度保持一致，这种方式虽然可以满足扭杆弹簧的使用条件，但并不是最好的。

感应淬火刚好可以满足扭杆弹簧的这种特性，而且可以更好地保证感应淬火的温度和脱碳量，热处理后的扭杆弹簧具有很好的弹性和韧性。

4结论
（1）通过HyperWorks 有限元分析结果可以看出，原设计
的限位螺栓会造成扭杆弹簧出现应力集中的现象，增大扭杆弹
簧断裂的风险。

通过改变装配工艺，取消限位螺栓的设计，可避免出现应力集中现象，增加扭杆弹簧的使用寿命。

（2）针对扭杆弹簧的受力情况，结合有限元分析结果可知，40Cr 的感应淬火要比50CrVA 的整体淬火更合理，更能满足扭杆弹簧的受力特性。

建议将材料从50CrVA 更换为40Cr ，同时改变热处理方式。

完成上述更改后，对新设计的扭杆弹簧完成40万次的台架疲劳试验，以及整车30000km 的道路试验，试验结果显示，改进后的扭杆弹簧满足使用要求，无断裂情况发生。

参
考文献
［1］孙为群，何凤鸣汽车扭杆弹簧的设计与制作［J ］汽车科技，2002
（2）：15-20
［2］杨雪峰
基于HyperWorks 汽车扭杆弹簧有限元分析与优化
［D ］西北农林科技大学，2012
［3］翟红雁，赵东方，常淑英50CrVA 钢汽车扭杆弹簧热处理工艺
研究［J ］华北航天工业学院学报，2005（1）
［4］肖永清汽车悬架上的扭杆弹簧及其应用［J ］金属制品，2010（5）
［责任编辑：陈泽琦］
图11垂直X 方向剖面应力云图
（单位：MPa ）
Z X
Y
图12垂直Y 方向剖面应变云图（单位：mm ）
17。