扭桿彈簧過渡段設計及選材校核

侯振民，張鴻洋，曹小宇

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430000）

扭桿彈簧作為一種具有彈性的機械零件，在同載荷情況下，其性能優于傳統鋼板彈簧，儲能達鋼板彈簧的3 倍[1-2]。由于扭桿彈簧具有質量小、結構緊湊、布置方便、儲能效果更佳等特點，因此各種懸架裝置常使用扭桿彈簧達到減震和緩沖的目的。

扭桿彈簧是一種彈性機械零件，主要利用材料的彈性和自身結構及整體布置的特點，將機械功或動能與變形能相互轉化。

本文研究的雙橫臂式轉向懸架為筆者團隊所研究的一種新式懸架，其結構如圖1 所示，扭桿彈簧，通過兩端花鍵進行固定，一端采用矩形花鍵同上橫臂軸部相連，另一端通過漸開線花鍵與同車架固定的固定端相連接。當該雙橫臂懸架系統工作時，車輪的振動帶動上橫臂繞軸心發生微小轉動，扭桿彈簧會受到來自上橫臂轉動的轉矩，而扭桿彈簧漸開線端花鍵固定，所以，可對汽車的振動起到緩沖作用。

圖1 雙橫臂式轉向懸架結構圖

1 扭桿彈簧的結構模型

本文研究的扭桿彈簧過渡段的優化是基于此雙橫臂懸架所進行的，扭桿彈簧的模型如圖2 所示，圓截面扭桿彈簧結構分為工作直桿部分，過渡部分和兩端花鍵連接部分，其中工作直桿部分作為主要承載體，其工作直徑d=8 mm，有效長度L=148 mm。當汽車車輪振動帶動上橫臂轉動，對扭桿彈簧作用轉矩時，上橫臂對扭桿施加大約20 N·m 的轉矩。

對于過渡部分通常會存在應力集中問題，會對扭桿的使用造成一定的損壞，因此需要設計合適的過渡形式來減小應力集中。

圖2 扭桿彈簧模型

2 扭桿彈簧過渡段的優化設計

2.1 扭桿彈簧結構

針對該懸架系統中的圓截面扭桿彈簧，一般采用兩種過渡形式[3]，一種是錐形過渡形式，如圖3 所示，另一種是圓弧過渡形式，如圖4 所示。

圖3 錐形過渡方式

圖4 圓弧過渡方式

對于錐形過渡，為了盡量減少應力集中，使應力集中系數趨近于0，其圓錐角一般小于30°；對于圓弧過渡，為同樣達到應力減小的目的，其過渡半徑一般要大于3～5 倍的直桿桿徑，一般取平均4 倍桿徑。

2.2 受力及計算

扭桿彈簧運動如圖5 所示。圓形扭桿彈簧的扭轉應力為：

式（1）中：T為扭桿花鍵端受到的扭矩；Wp為扭桿的扭轉斷面系數；[τ]為扭桿彈簧的許用應力。

考慮到扭桿彈簧的兩端花鍵連接處存在應力集中，通常取應力集中系數kt=1.2，N=1.25，所以式（1）還可以表述為：

圖5 扭桿彈簧運動簡圖

通過上述公式計算，扭桿彈簧在20 N·m 的扭矩作用下最大切應力為337.14 MPa，小于考慮集中應力的許用應力[τ]=377.6 MPa。

3 扭桿彈簧的有限元分析

3.1 載荷及材料

Ansys 有限元分析是一種基于理論力學分析的計算機計算方法。通過在軟件中加入適當的約束條件和載荷，模擬了扭轉桿的實際應力，并利用生成的參數云圖對扭轉桿的結構性能進行了評估。為了簡化仿真計算，在建立仿真模型時，將扭桿彈簧的兩端花鍵去掉，并保留過渡端。忽略上橫臂、固定端等懸掛的硬件，忽略部件之間的摩擦。將上橫臂對扭桿彈簧的作用力簡化為作用于花鍵上的驅動力矩。

扭桿彈簧選用材料為60Si2Mn，密度ρ=7.85×103kg/m3，楊氏模量E=206 GPa，泊松比v=0.290，許用應力[τ]=472 MPa，且為各向同性材料。通過Ansys 軟件對扭桿受力后進行仿真分析。

3.2 網格劃分

由于扭桿彈簧模型的幾何形狀，受力狀態固定約束都關于扭桿彈簧彈簧軸對稱，可以用于這特性，在Ansys 里面對模型采用結構分析進行網格劃分，為了提高網格劃分的質量，單元尺寸選取了4 mm，來確保過渡區的曲面邊界網格質量。

4 仿真結果分析

4.1 應力分析

當懸架系統處于靜置狀態，扭臂處無沖擊力作用，汽車車輪上下振動時，車輪帶動上橫臂轉動，從而驅動扭桿彈簧轉動，因此在仿真中矩形花鍵端施加扭矩M＝20 N·m 模擬上橫臂轉動對扭桿彈簧的作用力，漸開線花鍵端進行固定約束。

workbench 仿真后錐形過渡形式的應力云圖如圖6 所示，圓弧過渡形式的應力云圖如圖7 所示。

圖6 圓錐過渡形式應力云圖

圖7 圓弧過渡形式應力云圖

由應力云圖可以得知，圓弧過渡形式過渡段最大應力為209.14 MPa，圓錐過渡形式過渡段最大應力為211.42 MPa。圓弧過渡形式的過渡段最大應力小于圓錐過渡形式。扭桿彈簧過渡段圓弧過渡形式結構優于圓錐過渡形式。

4.2 安全系數分析

利用workbench 軟件對兩種結構進行有限元非線性運算，將收斂容差設置為0.01，得到了應力與迭代次數的收斂情況，仿真后圓錐形過渡形式的收斂情況如圖8 所示，圓弧過渡形式的收斂情況如圖9 所示。

圖8 圓錐過渡形式收斂情況圖

圖9 圓弧過渡形式收斂情況圖

由應力與迭代次數關系圖可得知，圓錐形過渡形式在迭代第4 次出現收斂，圓弧形過渡形式在迭代第2 次出現收斂，扭桿彈簧過渡段圓弧過渡形式結構優于圓錐過渡形式。

4.3 安全系數分析

利用workbench軟件在上述載荷作用下進行兩種結構進行安全系數仿真，得到了兩種結構的安全系數，圓錐過渡形式在過渡段最小安全系數為3.483 4，圓弧過渡形式在過渡段最小安全系數為6.365 4，扭桿彈簧過渡段圓弧過渡形式結構優于圓錐過渡形式。

4.4 材料校核

由于扭桿彈簧的應力只與結構和外部載荷有關，而與自身材料無關，所以，選取了扭桿彈簧常用材料，比如40CrNi、40CrMo、60Si2Mn 等材料[4]，利用workbench 來計算扭桿彈簧過渡段的應變情況，仿真后兩種結構過渡段的應變隨材料變化情況如表1 所示。

表1 過渡段應變與材料關系

由仿真數據可知，40CrNiMoA 材料的過渡段應變最小，60Si2MnA 材料次之，該懸架扭桿彈簧的選材使用40CrNiMoA 較佳。

5 結語

本文針對扭桿彈簧圓錐形和圓弧形這兩種過渡方式，通過Ansys 進行受力分析，然后對這兩種結構的應力云圖、迭代次數、收斂情況及安全系數云圖進行比較，選擇出適合于該雙橫臂懸架系統的扭桿彈簧的最佳結構方式，同時，根據扭桿彈簧在不同材料下的應變，選取了強度最高的材料，為以后的扭桿彈簧優化設計提供依據。