4.3扭杆悬架设计
作为悬架弹性元件的一种——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。扭杆弹簧在汽车上可以纵置、横置或介于上述两者之间。因扭杆弹簧单位质量储能量比钢板弹簧大许多，所以扭杆弹簧悬架质量小(簧下质量得以减少)，目前在轻型客车、货车上得到比较广泛的应用。除此之外，扭杆弹簧还有工作可靠、保养维修容易等优点。
扭杆弹簧可以按照断面形状或弹性元件数量的不同来分类。按照断面形状不同，扭杆弹簧分为圆形、管形、片形等几种。按照弹性元件数量不同，扭杆可分为单杆式(图4—12a、b)或组合式两种。组合式扭杆又有并联(图4—12c、d)和串联(图4—12e)两种。端部做成花键的圆形断面扭杆，因工艺性良好和装配容易而得到广泛应用，与管形扭杆比较材料利用不够合理是它的缺点。管形断面扭杆有制造工艺比较复杂的缺点，但它也有材料利用合理和能够用来制作组合式扭杆的优点。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。片形断面扭杆的材料利用不够合理。组合式扭杆能缩短弹性元件的长度，有利于在汽车上布置。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。
图4—12 扭杆断面形状及端部结构
a) 圆形断面扭杆，端部为花键 b)圆形断面扭杆，端部为六角形 c)片形组合式扭杆
d)圆形组合式扭杆 e)串联组合式扭杆
下面以汽车上常用的圆形断面扭杆为例，介绍扭杆弹簧的设计要点。
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。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(图4—13)。
图4－13扭杆弹簧与臂
设计时应当根据最大扭矩计算扭杆直径d d=316Mmax
πτ (4—21)
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代人计算。 扭杆的有效长度L用下式计算 L=
πd4G
32cn
(4—22)
式中，G为切变模量，设计时取G=7.7×104MPa；cn为扭杆的扭转刚度。
分析式(6—22)可知：扭杆直径d和有效长度L对扭杆的扭转刚度cn有影响。增加扭杆直径d会使扭杆的扭转刚度cn增大，因悬架刚度与扭杆扭转刚度成正比，所以汽车平顺性变坏；而扭杆直径d又必须满足式(6—21)的强度要求，不能随意减小。增加扭杆有效长度L能减小扭杆的扭转刚度cn，使汽车平顺性获得改善，但过长的扭杆在汽车上布置有困难，此时宜采用组合式扭杆。
常采用45CrNiMoVA、40Ct、42CrMo、50CRV等弹簧钢制造扭杆。为了提高疲劳强度，扭杆需要经过预扭和喷丸处理。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。
扭杆弹簧可分为端部、杆部和过渡段三部分。圆形扭杆使用有花键的端部占多数，这种结构在端部直径较小时也能保证足够的强度。为使端部和杆部寿命一样，推荐端部直径D
＝(1.2～1.3)d，其中d为扭杆直径；花键长度l=0.4D，端部花键一般采用渐开线花键。 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。比较常用的方法是采用一个30°夹角的锥体，把端部和杆部连接起来(图4—14a)，过渡段长Lg=(D?d)/2tan15，过渡圆角r=1.5d。
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。对于如图4—14aο
所示结构，有效长度Le，可用下式计算
=L2 Lg?d?d??d?3?
e3?+???+??D??? （4—23）
??D?D??
图4—14 扭杆端部、杆部与过渡段
a)锥度过渡段 b)圆弧过渡段
对于如图4—14b所示结构，有效长度Le可用下式计算
LL320.50.5
g??d?dd?d?D48??8??D??+10???
?D??+15+15?
?arctan???1???e=? ?D?D?d??d???
过渡段圆弧半径R为
R=
L2gD?d
D?d
+
4
(4—25) 扭杆的工作长度L等于杆身长L0再加上有效长度Le的两倍，即
4—24） （ L=L0+2Le
与扭杆花键连接的支座上的内花键长度要求比扭杆上的外花键长度长些，并且设计时还应保证内花键的两端长度都要超出扭杆花键长度。 有的扭杆端部采用直接锻造出六角形的结构。为了提高侧边的平直度，锻后再进行精压加工。六角对边的宽度B与扭杆直径d之间要求保持B＝(1.2～1.4)d的关系，以保证六角形的端部有足够的强度。
4.4螺旋弹簧悬架设计
螺旋弹簧作为弹性元件，由于其结构简单、制造方便及有高的比能容量，因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当普遍，特别是在轿车中，由于要求良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动量下仍具有保持车轮定位角的能力，因此螺旋弹簧悬架早就取代了钢板弹簧。螺旋弹簧在悬架布置中可在弹簧内部安装减振器、行程限位器或导向柱使结构紧凑。通过采用变节距的或用变直径弹簧钢丝绕制的或两者同时采用的弹簧结构，可以实现变刚度特性。
1.螺旋弹簧的刚度及应力计算
螺旋弹簧在其轴向载荷P作用下的变形f为
2
8PDm?i
（4－26） f=4
Gd
式中Dm——弹簧中径，mm ； d——弹簧钢丝直径，mm； i——弹簧工作圈数；
G——弹簧材料的剪切弹性模量，取8.3×104MPa。
因此弹簧刚度
PGd4
(4－27) Cs==3
f8Dm?i
弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似，都是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为
8PDmK'8PCK'τ== Mpa （4－28） 32
πdπd
式中C——弹簧指数(旋绕比)，C=Dm/d；
K——曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数，K'=
'
4C?10.615
。（4－+C4C?4
29）
对于前面讨论的直的扭杆，其表面的剪应力呈均匀分布，而螺旋弹簧钢丝表面的剪应力则相对复杂。在静载状态下，这种截面内的应力分布不均匀可以忽略不计，但在承受动载时，由于弹簧内侧应力水平较高并且应力变化幅值也更大，导致螺旋弹簧的失效总是发生在内侧。为了在设计时考虑内侧应力的增大，引入修正系数K。
一般情况下，弹簧钢的许用剪应力[τ]与许用拉应力[σ]成比例关系，通常情况下，可以取[τ]＝0.63[σ]。 2.弹簧端部形状
'
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