鋼板彈簧疲勞開裂問題分析與優(yōu)化

董志鴻 劉虎 劉雪峰 龔玫琳

摘要：某輕卡在四立柱振動臺架上進行整車道路耐久模擬試驗，在試驗過程中出現(xiàn)后懸架副板簧疲勞開裂的問題，通過CAE方法對板簧總成進行非線性仿真分析，針對板簧薄弱區(qū)域進行優(yōu)化改進。然后基于板簧總成等幅疲勞損傷與變幅疲勞損傷當量關(guān)系，對板簧疲勞仿真模型采用等幅循環(huán)加載，計算優(yōu)化后的板簧總成與原板簧總成相對疲勞壽命比值，確保優(yōu)化后的板簧能夠滿足整車四立柱臺架耐久目標要求。最后將優(yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進行四立柱臺架驗證，滿足了耐久目標要求。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧;疲勞開裂;分析和優(yōu)化;整車四立柱道路模擬;損傷當量關(guān)系

中圖分類號：U463.33收稿日期：2022—01—24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.019

1 前言

隨著汽車行業(yè)競爭日益激烈，汽車產(chǎn)品的可靠性和耐久性直接影響到廠家的整體銷量和企業(yè)形象，為提升產(chǎn)品的耐久性能，深入研究車輛結(jié)構(gòu)疲勞耐久性能的仿真、試驗及優(yōu)化技術(shù)已迫在眉睫。

以某輕卡板簧總成為研究對象，該板簧總成搭載在試驗車上進行整車四立柱臺架耐久試驗，如圖1所示。

針對試驗過程中的板簧開裂問題進行分析，如圖2所示。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及仿真手段，對板簧總成進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過相對疲勞壽命計算，使優(yōu)化后的板簧滿足耐久目標要求。

2鋼板彈簧耐久試驗?zāi)繕藫Q算

2.1板簧應(yīng)變信號采集

根據(jù)輕卡耐久試驗規(guī)范，試驗車在襄陽試車場按照不同的裝載工況在耐久路面上行駛，一個循環(huán)的耐久路面長度為12.5km，由比利時路、長波路、扭曲路等路面路按照一定比例組合而成。襄陽試車場和試驗車后板簧副簧應(yīng)變粘貼位置示意圖如圖3所示。

2.2板簧耐久目標換算

對于輕卡整車耐久性目標要求為整車需要滿足2萬km耐久試驗。試驗分不同的裝載工況，對各裝載工況采集到的板簧應(yīng)變進行偽損傷分析，比利時路面對板簧產(chǎn)生的損傷占比高達90%左右，見表1。其中空載和半載的副板簧由于未起到承載作用，因此空載和半載工況副板簧損傷為零。根據(jù)損傷等效原則，副板簧在整車超載工況比利時路面運行2 053 km可等效于耐久規(guī)范要求的整車試車場耐久路面2萬km。一個試驗循環(huán)里程是12.5km，其中包含3.33km比利時路面運行距離計算如下：

3整車四立柱道路模擬臺架試驗

將試驗場采集到的軸頭加速度和減震器位移信號作為四立柱振動臺的迭代目標信號進行臺架迭代，復(fù)現(xiàn)超載工況比利時路面的耐久試驗，整車四立柱臺架迭代過程圖如圖4所示。

當試驗進行到1 357 km時左后懸架副板簧出現(xiàn)疲勞開裂，更換新的板簧總成后繼續(xù)進行臺架試驗，右后懸架副板簧在1 495 km時也出現(xiàn)開裂，且位置相同，副板簧開裂如圖2所示。根據(jù)隨機振動理論可知，后懸架左右兩側(cè)板簧總成受到的路面激勵載荷相同，綜上可知后懸架副板簧的疲勞中值壽命為1 426 km，按照損傷等效原則，板簧在整車超載工況比利時路面需滿足2 053 km耐久試驗?zāi)繕艘?，因此，需要對后懸架副板簧結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進行優(yōu)化，提升板簧疲勞壽命，使其滿足耐久目標要求。

4板簧總成疲勞壽命分析及優(yōu)化4.1后懸架板簧總成有限元模型

建立后懸架板簧總成有限元模型，板簧片采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基本尺寸為5mm，如圖5所示，板簧總成的仿真模型模擬實際結(jié)構(gòu)運動關(guān)系。其中車架縱梁上的兩個限位支架與副簧上表面建立接觸，兩個限位支架約束自由度123456;主簧前卷耳中心約束自由度12346，放開繞Y軸旋轉(zhuǎn)，主簧后卷耳中心與吊耳擺臂上端中心孔之間建立旋轉(zhuǎn)運動副;擺臂下端中心孔約束自由度12346，放開繞Y軸旋轉(zhuǎn)，兩根U型螺栓的預(yù)緊力通過在Beam梁單元上施加PRETENSION預(yù)緊力來實現(xiàn);最后在板簧座上施加超載工況對應(yīng)的載荷43 200 N（考慮2倍沖擊系數(shù)），計算板簧靜總成強度結(jié)果。仿真模型中設(shè)置了接觸非線性和幾何非線性，板簧片之間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。

4.2 等幅載荷與變幅載荷當量關(guān)系

后懸架板簧總成在比利時路面工況受到的載荷為變幅載荷，路面載荷對板簧的作用方向主要為Z向，對板簧總成施加Z向等幅正弦變化的載荷，測量副板簧同一位置的應(yīng)變信號，如圖6所示。根據(jù)疲勞損傷等效原則，板簧Z向施加循環(huán)載荷0～43 200 N，循環(huán)加載4萬次產(chǎn)生的疲勞損傷等效于整車超載工況比利時路面行駛2 053 km產(chǎn)生的疲勞損傷，由于疲勞損傷是基于線性累加原則計算得到，因此等幅載荷循環(huán)加載2.778萬次產(chǎn)生的疲勞損傷等效于整車超載工況比利時路面行駛1 426 km產(chǎn)生的疲勞損傷。

4.3 板簧總成等幅加載仿真壽命

根據(jù)后懸架副簧的受力特征可知，當副簧與限位支架接觸時，副簧受到載荷作用，當副簧與限位支架脫離時，副簧受力為零。對后懸架板簧總成有限元模型板簧座處施加幅值為0～43200N的脈沖循環(huán)載荷，如圖7所示。

將板簧總成應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入疲勞軟件中，疲勞加載類型選擇Constant Amplitude，Max factor選擇1，Min factor選擇0。板簧材料為60Si2Mn，采用材料庫里自帶的SN曲線，通過修正SN曲線斜率，使板簧總成的疲勞循環(huán)次數(shù)為2.778萬次，圖8為板簧仿真計算的疲勞危險點及疲勞失效循環(huán)次數(shù)，仿真疲勞危險點位于第二片副簧壓板附近（節(jié)點號13828），此位置與副簧實車試驗開裂位置相同。副簧開裂壽命為2.778萬次循環(huán)，等效于整車超載比利時路面行駛1426km。

由于副簧在整車四立柱臺架試驗中的開裂里程為1 426km，要達到2 053km的耐久目標要求，優(yōu)化方案的副簧疲勞壽命至少需要提高到原副簧疲勞壽命的1.439倍以上，即優(yōu)化方案的板簧疲勞仿真壽命需從2.778萬次提高到4萬次以上。

4.4板簧優(yōu)化方案疲勞分析

由板簧總成疲勞壽命云圖可知，副簧中部區(qū)域的疲勞壽命明顯低于目標值，優(yōu)化方案將副簧的兩片板簧片厚度增厚3mm。將優(yōu)化方案的副簧重新劃分網(wǎng)格，通過疲勞仿真計算得到優(yōu)化方案的副簧疲勞仿真壽命提高到7.191萬次，高于目標值4萬次，如圖9所示。

優(yōu)化方案的副簧疲勞壽命滿足耐久目標要求。最后將優(yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進行整車四立柱臺架試驗，副板簧在整車四立柱臺架上模擬超載工況比利時路面振動2053km未出現(xiàn)副簧斷裂現(xiàn)象，滿足耐久目標要求。

5 結(jié)語

對各裝載工況采集的板簧應(yīng)變進行偽損傷分析，根據(jù)損傷等效原則，副板簧在整車超載工況比利時路面振動2 053 km等效于耐久規(guī)范要求的整車試車場完成耐久路面2萬km的目標。

將試驗場采集到的軸頭加速度和減震器位移信號作為四立柱振動臺的迭代目標信號進行臺架迭代，復(fù)現(xiàn)超載工況比利時路面的耐久試驗。在整車四立柱臺架試驗中，后懸架副簧出現(xiàn)疲勞開裂，因此板簧結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化加強，提高疲勞壽命。

建立板簧總成有限元模型，模型考慮U型螺栓預(yù)緊力、接觸非線性、幾何非線性?；诎寤煽偝傻确趽p傷與變幅疲勞損傷當量關(guān)系，對板簧疲勞仿真模型采用等幅循環(huán)加載，對疲勞仿真的薄弱區(qū)域進行優(yōu)化。

計算優(yōu)化后的板簧總成與原板簧總成相對疲勞壽命比值，確保優(yōu)化后的板簧疲勞壽命能夠滿足耐久試驗?zāi)繕艘?。最后將?yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進行四立柱臺架驗證，滿足耐久目標要求。

參考文獻：

[1]吳建國，周鋐，陳棟華，等.目標用戶道路譜與試驗場道路譜的載荷當量等效研究[J].汽車技術(shù)，2007（7）：21—24.

[2]胡志強.隨機振動試驗應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，1996.

[3]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2018.

作者簡介：

董志鴻，男，1984年生，主管工程師，研究方向為疲勞耐久CAE仿真與試驗。