康百川，何云峰

（1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

基于整車鋼板彈簧疲勞分析及創(chuàng)新型板簧疲勞試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

康百川1，何云峰2

（1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

討論了單副鋼板彈簧的疲勞分析和基于整車鋼板彈簧疲勞分析兩者之間的誤差，分析了單副鋼板彈簧的疲勞分析及基于整車鋼板彈簧疲勞分析的誤差產(chǎn)生的原因。設(shè)計(jì)了一套新型汽車懸架用鋼板彈簧試驗(yàn)臺(tái)架開發(fā)，其特征在于能夠準(zhǔn)確模擬懸架鋼板彈簧疲勞壽命試驗(yàn)，提高鋼板彈簧臺(tái)架試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，為優(yōu)化傳統(tǒng)板簧疲勞試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)提供了新思路。

鋼板彈簧；疲勞試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-69-03

前言

鋼板彈簧作為汽車的關(guān)鍵彈性元件，因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉而被廣泛應(yīng)用，作為汽車的關(guān)鍵彈性元件，其對(duì)整車操穩(wěn)平順及安全性都有著重要的影響。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)鋼板彈簧剛度的設(shè)計(jì)也越來越準(zhǔn)確，但對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制卻仍然缺乏先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的驗(yàn)證，路試車板簧斷裂仍然是板簧主要發(fā)生的TIR問題之一。

板簧在實(shí)際工作中受力非常復(fù)雜，經(jīng)計(jì)算和分析表明，板簧在實(shí)車工作中前段和后段受力不同，受力方向也比較復(fù)雜，而目前的鋼板彈簧試驗(yàn)臺(tái)架，大多數(shù)采用兩端滾車約束，對(duì)稱加載的方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，顯然不是較為理想化的加載方式，不能很好的模擬實(shí)際工作中較為復(fù)雜的板簧受力工況。經(jīng)過了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的板簧，在整車實(shí)際路試中依舊出現(xiàn)問題，也說明了目前試驗(yàn)臺(tái)架準(zhǔn)確度的問題。

本文主要模擬分析了鋼板彈簧傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架疲勞試驗(yàn)與整車狀態(tài)疲勞試驗(yàn)的誤差，且設(shè)計(jì)了一種新型試驗(yàn)臺(tái)架，旨在實(shí)車設(shè)計(jì)階段就能快速、準(zhǔn)確地提取板簧性能數(shù)據(jù)及進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，精確模擬板簧在實(shí)際工況中的運(yùn)動(dòng)軌跡及受力，以求精確的進(jìn)行鋼板彈簧疲勞壽命驗(yàn)證，幫助車企在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短整車開發(fā)周期，降低成本及風(fēng)險(xiǎn)。

1、板簧臺(tái)架試驗(yàn)受力分析

目前車企及板簧供應(yīng)商的試驗(yàn)臺(tái)架基本為傳統(tǒng)的兩端滾車、垂直加載的試驗(yàn)臺(tái)架，信號(hào)發(fā)生器波形種類：正弦波，方波，三角波，斜波，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)板簧試驗(yàn)臺(tái)架

傳統(tǒng)臺(tái)架在試驗(yàn)過程中，兩端卷耳分別向兩端平行移動(dòng)，液壓缸始終垂直施加壓力，且加載位置固定，簡化的加載模型，導(dǎo)致板簧受力與實(shí)車有所不同。并且傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架只能做單副板簧的疲勞壽命驗(yàn)證，而實(shí)車狀態(tài)則更傾向于整個(gè)懸架的疲勞壽命，且板簧在實(shí)車上的跳動(dòng)，是以輪跳軌跡線為施力點(diǎn)加載，兩者之間板簧受力是有差異的，圖2為板簧實(shí)車跳動(dòng)軌跡。

圖2 板簧實(shí)車跳動(dòng)軌跡

2、CAE分析

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架和實(shí)車狀態(tài)板簧疲勞壽命之間的誤差，我們采用了Fe-safe軟件，模擬兩種不同的約束條件對(duì)板簧疲勞壽命進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2.1 加載條件

根據(jù)板簧試驗(yàn)條件，板簧在夾緊狀態(tài)下，以特定變形A的位置為基準(zhǔn)，以一定振幅B（保證最大回位時(shí)板簧仍處于壓縮狀態(tài)，例如取變形100mm，振幅取±65mm，需根據(jù)不同車型板簧參數(shù)確定）、頻率加載，10萬次（目前國標(biāo)要求8W次）循環(huán)后，零件不能損壞。

根據(jù)某車型實(shí)際質(zhì)量參數(shù)，空載2400N，上極限彈簧受力6700N，按照正弦波載荷力加載，載荷力為（6700-2400）Sin（πt）。

2.2 傳統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M分析

利用HyperMesh建立網(wǎng)格模型，用abaqus約束、計(jì)算，模型見圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法模型

用Fe-safe軟件進(jìn)行后處理計(jì)算，得出結(jié)果，見圖4、圖5、圖6所示。

圖4 第一片疲勞分析結(jié)果

圖5 第二片疲勞分析結(jié)果

圖6 第三片疲勞分析結(jié)果

經(jīng)分析，第二片板簧在循環(huán)加載10W次時(shí)發(fā)生斷裂。

2.3實(shí)車狀態(tài)板簧疲勞分析

同樣利用HyperMesh建立網(wǎng)格模型，用abaqus約束、計(jì)算，模型見圖7所示。

圖7 實(shí)車狀態(tài)板簧約束模型

用Fe-safe軟件進(jìn)行后處理計(jì)算，得出結(jié)果，見圖8、圖9、圖10所示。

圖8 第一片疲勞分析結(jié)果

圖9 第二片疲勞分析結(jié)果

圖10 第三片疲勞分析結(jié)果

根據(jù)分析，第二片板簧在循環(huán)加載8W次時(shí)發(fā)生疲勞斷裂。

2.4 兩種約束方法分解結(jié)果比較

根據(jù)3.2、3.3分析結(jié)果，傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)10W次時(shí)發(fā)生疲勞斷裂，而實(shí)車狀態(tài)下板簧8W次就已經(jīng)發(fā)生疲勞斷裂。由此可見，傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架由于不能精確模擬板簧實(shí)車運(yùn)動(dòng)和受力而可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

3、新型臺(tái)架設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架加載偏差的問題，本文討論了一種新型板簧試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案。解決上述問題采取的技術(shù)構(gòu)思為，通過兩個(gè)液壓缸在不同方向控制并加載，精確模擬鋼板彈簧在實(shí)車的跳動(dòng)軌跡。由于每輛車的硬點(diǎn)和板簧跳動(dòng)軌跡唯一且可以提供，所以可以通過控制系統(tǒng)控制液壓缸加載，真實(shí)模擬板簧受力。

試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備由兩個(gè)液壓缸、板簧夾裝平臺(tái)、控制系統(tǒng)等組成。鋼板彈簧前后吊耳位置，按照實(shí)車硬點(diǎn)安裝，精確模擬實(shí)車板簧狀態(tài)。小型的液壓缸用于推動(dòng)主加載液壓缸，使其完全按照板簧運(yùn)動(dòng)軌跡施力點(diǎn)加載，保證板簧受力符合實(shí)際工況。試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備簡圖見圖11。

圖11 新型板簧疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

臺(tái)架系統(tǒng)部件組成：1-立柱；2-主加載液壓缸固定支架；3-主加載液壓缸固定螺栓；4-主加載液壓缸限位輔助支架； 5-主加載液壓缸；6-主液壓缸限位塊及滑軌；7-試驗(yàn)臺(tái)架框體承力梁；8-板簧后吊耳位置可調(diào)式支架；9-第一傳感器；10-加載中心軌跡調(diào)整輔助液壓缸；11-輔助液壓缸固定支架；12-板簧前吊耳位置可調(diào)式支架；13-板簧前吊耳安裝支架 ；14-鋼板彈簧；15-第二傳感器；16-主控臺(tái)；17-U型螺栓；18-鋼板彈簧后吊耳板；19-板簧后吊耳安裝支架。

本文設(shè)計(jì)的鋼板彈簧試驗(yàn)臺(tái)架是對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)鋼板彈簧試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能存在問題而進(jìn)行的創(chuàng)新，是一個(gè)新型試驗(yàn)方式的構(gòu)思，約束機(jī)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)方案不是本發(fā)明重點(diǎn)闡述對(duì)象。

如圖11所示，該試驗(yàn)臺(tái)架能夠適用于各種類型的鋼板彈簧，臺(tái)架寬度方向可以安裝不同長度的鋼板彈簧，且夾具可調(diào)，可按照實(shí)車硬點(diǎn)安裝，精確模擬實(shí)車板簧裝配狀態(tài)，且能夠準(zhǔn)確的模擬板簧實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)精確度高、費(fèi)用較低等特點(diǎn)，主要特點(diǎn)包括：1.可進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)；2.適用于不同尺寸的板簧夾裝和試驗(yàn)；裝和試驗(yàn)；3.可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)不同車輛板簧安裝點(diǎn)和輪跳軌跡；4.采用實(shí)車吊耳板，襯套等進(jìn)行裝載，真實(shí)反映板簧工況；5.減少板簧懸架開發(fā)成本和周期，提高效率。

4、結(jié)束語

本文通過模擬鋼板彈簧傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架加載方式和實(shí)車工作方式受力進(jìn)行疲勞分析，得出傳統(tǒng)臺(tái)架并不能精確模擬板簧實(shí)際受力的結(jié)論，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)板簧試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提出一種新型板簧疲勞試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)構(gòu)思。搭建一臺(tái)能夠?qū)嶋H工作的新型臺(tái)架，并進(jìn)行大量鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，切實(shí)有效的提高板簧疲勞壽命試驗(yàn)準(zhǔn)確度，將是我們未來的努力方向。

[1] 張英會(huì)等,彈簧手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.7.

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 周傳月.疲勞分析應(yīng)用與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[4] 顧永梁.少片鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與疲勞壽命計(jì)算[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[5] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

Based on the vehicle leaf spring fatigue analysis and leaf spring fatigue test bench design

Kang Baichuan1, He Yunfeng2
（1.AISN AUTO R&D CO.,LTD, Guangxi Liuzhou 545000；2. SAIC-GM-Wuling Automobile TDC, Guangxi Liuzhou 545000）

Single pair of leaf spring fatigue analysis is discussed and based on the vehicle leaf spring fatigue analysis of the error between the two, analyzes the single pair of leaf spring fatigue analysis and based on the vehicle leaf spring fatigue analysis of the causes of error. Design a new type of car suspension spring test- bench is developed, its feature is the ability to accurately simulate the suspension leaf spring fatigue life test, enhance the accuracy of steel plate spring bench test, in order to optimize the traditional plate spring fatigue test bench design provides a new way of thinking.

leaf spring; fatigue test; fatigue test bench

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-69-03

康百川，就職于湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，從事底盤及懸架系統(tǒng)研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.023