ASSESSMENT OF THE STRESS-STRAIN STATE OF TORSION BARS OF VEHICLE SUSPENSIONS UNDER VARIABLE LOADS

Authors

  • YE. I. YATSKOVSKYI National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2026.3.6

Keywords:

torsion bar, vehicle suspension, stress-strain state, variable loads, fatigue failure, durability, armored vehicle

Abstract

This paper presents a numerical analysis of the stress-strain state of a torsion bar with a diameter of 40 mm and a length of 1200 mm for a light armored vehicle suspension under variable loading conditions using the finite element method in a three-dimensional formulation. The torsion bar is the primary elastic element of the suspension system, providing a spring connection between the wheel and the vehicle frame through elastic torsion of a steel rod. The computational model includes the cylindrical section, spline connections (z = 12, module m = 2.5 mm), and fillet transitions with a radius of 3 mm, discretized using Hex20 isoparametric elements with a total of 284,000 nodes. The element size in stress concentration zones was set to 1.5 mm (d/27), ensuring accurate calculation of maximum stresses. The analysis was performed for steel 45KhN2MFA (σ₀.₂ = 1600 MPa, τ₋₁ = 700 MPa, G = 80 GPa) under a load spectrum of T = 6, 8, 10, 14 kN·m with relative frequencies of 0.55/0.25/0.15/0.05, respectively.

It was established that maximum shear stresses τmax = 1247 MPa occur in the spline connection roots at T = 10 kN·m, corresponding to a stress concentration factor Kτ = 1.57. In fillet transitions, Kτ = 1.37. The torsional stiffness is cφ = 50.3 kN·m/rad and decreases by 5.3% when heated to 150 °C due to a 5% reduction in the shear modulus. Thermal stresses in the temperature gradient zone (∆T = 35 °C) do not exceed 45 MPa, which is less than 6% of mechanical stresses.

Fatigue life assessment using the Palmgren–Miner linear damage accumulation hypothesis for a spectrum with cycle asymmetry coefficient R = 0.15 showed accumulated damage D = 7.37, indicating resource exhaustion under the full load spectrum with a total duration of 4×10⁶ cycles. The greatest contribution to damage accumulation (73%) comes from the fourth load level T₄ = 14 kN·m, which occurs only 5% of operating time. To ensure D ≤ 0.7, limiting the maximum load to T ≤ 10 kN·m or using steel 60S2A with shot peening (τ₋₁,R = 680 MPa), yielding D = 0.68, is recommended. Comparative analysis of five bar sizes (d = 32, 38, 40, 48, 55 mm) showed that adequate fatigue life under the full load spectrum is provided by bars with diameters of 48 mm and above. FEM model verification showed deviation from the analytical solution for the cylindrical section of no more than 1.2%. The results can be used in designing new suspension systems and predicting the residual life of torsion bars in operation.

References

Ткачук М. М., Заворотній А. В., Зінченко О. І., Грабовський А. В., Ткачук М. А., Пінчук Н. В., Шевченко А. В., Цендра Г. В. Розвиток підходів, моделей та методів дослідження міцності та довговічності торсіонних валів систем підресорювання легких броньованих машин. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Машинознавство та САПР. 2022. № 2. С. 80–93. DOI: 10.20998/2079-0775.2022.2.09.

Ткачук М. М., Саверська М. С., Куценко С. В., Зінченко О. І., Клочков І. Є., Ткачук М. А., Волошина І. О. Теоретичні основи досліджень контактної взаємодії та пружно-пластичного деформування елементів машин військового та цивільного призначення. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Машинознавство та САПР. 2022. № 1. С. 139–147. DOI: 10.20998/2079-0775.2022.12

Ткачук М. М. Грабовський А. В., Заворотній А. В., Куценко С. В., Саверська М. С., Клочков І. Є., Зінченко О. І., Ткачук М. А., Назаренко С. О., Пінчук Н. В., Марусенко С. І. Чисельне моделювання пружно-пластичного деформування торсіонних валів систем підресорювання транспортних засобів із урахуванням контактної взаємодії. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Машинознавство та САПР. 2022. № 1. С. 91–114. DOI: 10.20998/2079-0775.2022.1.10

Ткачук М. М., Грабовський А. В., Заворотній А. В., Куценко С. В., Саверська М. С., Клочков І. Є., Зінченко О. І., Ткачук М. А., Назаренко С. О., Пінчук Н. В., Марусенко С. І. Нові фізичні чинники за контактної взаємодії пружних тіл уздовж поверхонь близької форми. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Машинознавство та САПР. 2022. № 2. С. 94–126. DOI: 10.20998/2079-0775.2022.2.10

Рудаков К. М. Числові і аналітичні методи аналізу динаміки і міцності машин та стійкості руху. Київ : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2022. 120 с. URL: https://ela.kpi.ua/items/1f5efdbe-21c3-4483-871d-435e7cd3c4f2 (дата звернення: 10.03.2026).

Liu J. X., Wu Y. J., Zhang C. L., Sun W. L., Ding W. B., Dong S. J. Fatigue failure analysis and heat treatment strategy optimization of torsion bar spring for automobile suspension system used in light vehicles. Journal of Iron and Steel Research International. 2025. Vol. 32, № 3. P. 799–811. DOI: 10.1007/s42243-024-01305-3.

Li J., Kang Y., Deng J., Li X., Zhang Y., Yan B. A proposed innovative approach for predicting the torsional moment capacity of half-shaft based on static FEM. Advances in Engineering Software. 2025. Vol. 201. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2024.103851.

Liu J., Zhao C., An Y., Pan G. A Multi-Body Dynamic Study on the Torsional Vibrations of a Propulsion Shaft System. International Journal of Acoustics and Vibrations. 2025. Vol. 30, № 2. P. 211–217. DOI: 10.20855/ijav.2025.30.22139.

Kumor M. Torsional mode shapes of FGM shafts with various cross section. Technical Transactions. 2025. № 1. P. 1–20. DOI: 10.37705/techtrans/e2025003.

Vasić M., Blagojević M., Dizdar S., Tuka S. The Influence of Thermal Stresses on the Load Distribution and Stress–Strain State of Cycloidal Reducers. Applied Sciences. 2025. Vol. 15, № 17. DOI: 10.3390/app15179607.

Demli U. Ö., Acar E. Design optimization of armored wheeled vehicle suspension lower control arm. Materialpruefung/Materials Testing. 2022. Vol. 64, № 7. P. 932–944. DOI: 10.1515/mt-2021-2154.

Jeong Y., Yim S. Design of Active Suspension Controllers for 8×8 Armored Combat Vehicles. Machines. 2024. Vol. 12, № 12. DOI: 10.3390/machines12120931.

Yuan X. Motion analysis of armored vehicle suspension based on ADAMS. Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2365. DOI: 10.1088/1742-6596/2365/1/012007.

Han Y., Dong L., Tang P. Study on Damping Control Method of Eight-wheel Heavy Vehicle Suspension Under Non-Gaussian Random Road. Jixie Kexue Yu Jishu/Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering. 2023. Vol. 42, № 10. P. 1575–1582. DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220136.

Renukdas S., Krishnapillai S. Ride Analysis of 6×6 Military Mine Protected Vehicle on Cross-Country Terrain with PID Controller. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2024. P. 145–158. DOI: 10.1007/978-981-97-0918-2_12.

Published

2026-05-26

Issue

Section

INDUSTRIAL MACHINERY ENGINEERING