汽車天窗擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞耐久和扭轉(zhuǎn)剛度平衡優(yōu)化

劉杰 戴一濤

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

為減弱車輛高速行駛工況下全景天窗玻璃板開度較大時車內(nèi)空腔產(chǎn)生的亥姆霍茲（Helmholtz）共振效應，全景天窗一般均裝配彈起高度較高的網(wǎng)狀導風結(jié)構(gòu)，即擋風網(wǎng)。高速氣流流經(jīng)車頂開口時，擋風網(wǎng)可以避免或減少分離的渦流進入車內(nèi)，進而大幅度降低渦流高頻周期性破碎產(chǎn)生的車內(nèi)空腔壓力脈動，最終避免Helmholtz空腔共振對人耳造成的不適[1-4]。

擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧是一種彈性元件，可以控制擋風網(wǎng)機構(gòu)彈起，其中儲存的能量可以抵抗高速風載，并可緩和玻璃板關(guān)閉時擋風網(wǎng)對玻璃板的沖擊，是維持擋風網(wǎng)功能的關(guān)鍵部件[5]。按照平均每天開關(guān)天窗2 個循環(huán)計算，15 000 循環(huán)的耐久要求可以保證用戶20 年的使用周期。擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧的耐久性能對于維持天窗整體功能正常起到至關(guān)重要的作用。

為在優(yōu)化擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞耐久性的同時兼顧自身扭轉(zhuǎn)剛度，分析擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧各結(jié)構(gòu)參數(shù)對耐久性的影響以及扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度與疲勞耐久性能的關(guān)系，本文針對某車型天窗擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧在耐久試驗中斷裂的問題，通過正交試驗分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對扭轉(zhuǎn)彈簧耐久疲勞斷裂的影響，總結(jié)各結(jié)構(gòu)因素對耐久結(jié)果的影響趨勢，分析扭轉(zhuǎn)剛度與其疲勞耐久性的關(guān)系，提出擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞耐久和自身扭轉(zhuǎn)剛度平衡優(yōu)化改進方案并進行驗證。

2 問題描述

某車型天窗在全新開發(fā)階段，擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧在開關(guān)耐久約7 500 循環(huán)時斷裂，擋風網(wǎng)結(jié)構(gòu)及扭轉(zhuǎn)彈簧斷裂情況如圖1 所示，未能滿足開關(guān)耐久試驗15 000循環(huán)的要求。

圖1 擋風網(wǎng)結(jié)構(gòu)及扭轉(zhuǎn)彈簧斷裂情況

該扭轉(zhuǎn)彈簧的材料為業(yè)內(nèi)常用的優(yōu)質(zhì)彈簧不銹鋼X10CrNi18-8，經(jīng)尺寸檢查和材料檢驗，滿足設計要求。

采用Merlin Compact 掃描電子顯微鏡對不銹鋼合金斷口進行了二次電子形貌分析：二次電子表面形貌檢測條件加速電壓（Extra High Tension，EHT）為10 kV，工作距離（Work Distance，WD）為7.6 mm，放大倍率分別為35倍和1 000倍。通過形貌分析可知：試樣出現(xiàn)典型的耐久疲勞斷裂，存在典型的裂紋起源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)；斷口未觀察到明顯制造缺陷；疲勞裂紋起源于試樣表面，瞬斷區(qū)存在大量韌窩；斷口存在二次裂紋；因表面應力過大，扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞斷裂。斷口形貌及裂紋如圖2所示。

圖2 斷口形貌及裂紋

3 扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞斷裂問題分析

根據(jù)經(jīng)驗，該扭轉(zhuǎn)彈簧材料已無優(yōu)化余地，擬從提高疲勞耐久性的角度對該扭轉(zhuǎn)彈簧開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 影響因素的確定

根據(jù)表1 中扭轉(zhuǎn)彈簧原始參數(shù)，結(jié)合3.3 節(jié)和4.2節(jié)中的結(jié)論，對扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞耐久性影響顯著的2 個結(jié)構(gòu)因素進行優(yōu)化：增大扭轉(zhuǎn)彈簧內(nèi)徑，增加螺旋圈數(shù)，提高疲勞耐久性能；增大線徑，提高擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度，改善擋風網(wǎng)風噪表現(xiàn)。優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示。

表1 扭轉(zhuǎn)彈簧優(yōu)化前結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 擋風網(wǎng)彈簧疲勞耐久正交試驗

考慮扭轉(zhuǎn)彈簧周邊件的安裝環(huán)境（樣件可制造性），以及常見扭轉(zhuǎn)彈簧原材料鋼絲的規(guī)格，研究試驗各因素水平范圍上、下限應覆蓋表1 中扭轉(zhuǎn)彈簧原始結(jié)構(gòu)參數(shù)，設計如表2 所示的四因素三水平正交試驗表[6]。

過去，農(nóng)民圖省事、搶農(nóng)時，環(huán)保意識淡薄，把秸稈當作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)垃圾一燒了之。如今，東寶區(qū)通過招商引資，引進高新技術(shù)企業(yè)，使秸稈變廢為寶，串起了一條資源節(jié)約、低碳環(huán)保、農(nóng)民增收、企業(yè)增效的“綠色建材家居全產(chǎn)業(yè)鏈”。

表2 四因素三水平正交試驗表

采用這9 組扭轉(zhuǎn)彈簧樣件制作擋風網(wǎng)總成依次安裝于同一款天窗框架上。為了減少加工誤差帶來的耐久結(jié)果誤差，對應每組扭轉(zhuǎn)彈簧制作了3套相同的天窗總成，共制作27 套天窗總成。在室溫條件下開展天窗擋風網(wǎng)耐久試驗，試驗臺架如圖4 所示。每組扭轉(zhuǎn)彈簧的3 套相同天窗依次標記為1 號、2 號、3 號，分別記錄每個擋風網(wǎng)在耐久試驗中單側(cè)扭轉(zhuǎn)彈簧首次斷裂時的循環(huán)次數(shù)，結(jié)果如表3所示。

社會主義新農(nóng)村建設有助于保持鄉(xiāng)風文明，這對促進我國基層民主具有非常重要的作用。黨和國家一直重視社會主義新農(nóng)村建設，制定了一大批惠民富農(nóng)的措施，特別是農(nóng)村教育建設、農(nóng)村公路建設以及農(nóng)村公共服務設施建設，投入了大量的資金和精力，有效改善農(nóng)村環(huán)境，提升農(nóng)民生活水平。但是在實施的過程中，村級財務管理也出現(xiàn)了諸多的問題，因此提出相對應的解決措施就顯得尤為必要，具有極強的社會價值。

圖4 天窗耐久試驗臺架

3.3 扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)因素對耐久性的影響

由圖6可知，在一定范圍內(nèi)，針對同一耐久循環(huán)數(shù)，至少有2 個與之對應的扭轉(zhuǎn)剛度值。扭轉(zhuǎn)彈簧的耐久循環(huán)數(shù)與自身扭轉(zhuǎn)剛度并無一一對應關(guān)系，或者說無明顯關(guān)系。這與文獻[9]中的結(jié)論“初始剛度和疲勞壽命之間沒有關(guān)聯(lián)”是吻合的。顯然，存在一個合適的扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)，使其可以具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度，以張緊擋風網(wǎng)布，保證擋風網(wǎng)布風噪效果，同時滿足疲勞耐久性能要求。

表3 四因素三水平正交試驗結(jié)果 循環(huán)

圖5 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)文獻[8]，本文所述的擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度計算公式為：

4 扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度分析

4.1 扭轉(zhuǎn)剛度

根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度，結(jié)合表3 中9 組扭轉(zhuǎn)彈簧耐久平均循環(huán)數(shù)，可得9 組扭轉(zhuǎn)彈簧耐久循環(huán)數(shù)與自身扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由表3 和圖5 可知：扭轉(zhuǎn)彈簧內(nèi)徑越大，螺旋圈數(shù)越多，線徑越細，扭轉(zhuǎn)彈簧的疲勞耐久性能越好；扭轉(zhuǎn)彈簧自由角度對疲勞耐久性基本無影響。計算圖5中各因素耐久平均值的極差與各因素極差之和的占比可得扭轉(zhuǎn)彈簧各結(jié)構(gòu)因素對疲勞耐久性的影響程度，由大到小依次為：內(nèi)徑46.5%，螺旋圈數(shù)27.0%，線徑24.7%，自由角度1.8%。

式中，T′為扭轉(zhuǎn)剛度；E為彈簧鋼絲的彈性模量，本文取185 000 MPa；d為鋼絲直徑；D1為彈簧中徑；n為彈簧有效圈數(shù)；l1、l2分別為扭轉(zhuǎn)彈簧2 個扭臂的長度。

4.2 扭轉(zhuǎn)剛度與疲勞耐久性的關(guān)系

取9 組扭轉(zhuǎn)彈簧扭臂長度l1、l2，根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)利用式（1）計算扭轉(zhuǎn)剛度，如表4所示。

表4 9組扭轉(zhuǎn)彈簧扭臂長度及扭轉(zhuǎn)剛度計算結(jié)果

3.2 節(jié)中第7 組扭轉(zhuǎn)彈簧已滿足耐久性優(yōu)化目標，但實車路試時發(fā)現(xiàn)擋風網(wǎng)風噪情況變差。分析可知：扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度決定了擋風網(wǎng)布的張緊程度，如采用扭轉(zhuǎn)剛度不合適的擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧，網(wǎng)布將無法張緊。車輛高速行駛工況下天窗開啟時，會在網(wǎng)布處產(chǎn)生轟鳴聲，惡化擋風網(wǎng)風噪效果。為了確定扭轉(zhuǎn)彈簧耐久性優(yōu)化時是否會對扭轉(zhuǎn)剛度產(chǎn)生影響，需分析扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度與疲勞耐久性的關(guān)系。目前二者之間的關(guān)系鮮有結(jié)論可依。

在無際的黑夜里，你想過曾經(jīng)最愛的文字。從前你將它們想象成可以在指尖躍動的音符，每翻開一本書時它們便蹦跳著，奔跑著，在透明的空氣里穿針引線，在你的耳朵里纏繞出琴弦，演奏出那一首獨屬于你的“小確幸”。你提筆創(chuàng)作的時候是你最耀眼的時候，就像陽光在你的身上鍍了一層淺淺的金。你認真地譜寫曲子，一曲終了，酣暢淋漓。

圖6 9組扭轉(zhuǎn)彈簧耐久循環(huán)數(shù)與自身剛度的關(guān)系曲線

根據(jù)文獻[6]～文獻[7]，對表3的正交試驗結(jié)果進行分析，針對單個因素的某一水平，將該水平的耐久試驗平均值相加并除以該水平重復出現(xiàn)的次數(shù)，即可得到各因素相應水平耐久結(jié)果平均值，如圖5所示。由圖5 可知，扭轉(zhuǎn)彈簧的4 個結(jié)構(gòu)因素對耐久結(jié)果影響顯著程度從大到小排序依次為：內(nèi)徑A、螺旋圈數(shù)C、線徑B、自由角度D。

1.ECM對這類(外部供電，搭鐵控制)電磁閥執(zhí)行器進行電路診斷是很全面和準確的，既有執(zhí)行器供電電路的診斷，也有執(zhí)行器電阻的診斷，也就是(執(zhí)行器或電路)開路診斷和(執(zhí)行器)短路診斷。如果對執(zhí)行器短路不能診斷，往往會因為電流過大，熔絲熔斷，引起共用該電源(熔絲)的其它裝置失效，或者造成線路或ECM的損壞，甚至更大的損壞。所以，具備短路診斷功能的控制模塊，當診斷出電路短路(電阻過小)而設置故障碼時，將不再進行輸出控制。

2.1.4 鼻胃鏡通過消化道狹窄病變后的新發(fā)病變檢出情況 31例食管癌患者中有2例發(fā)現(xiàn)胃體賁門癌，1例發(fā)現(xiàn)食管下段有癌性病灶；在14例食管術(shù)后吻合口狹窄患者中，利用超細鼻胃鏡發(fā)現(xiàn)1例患者出現(xiàn)吻合口瘺。4例直腸癌和2例結(jié)腸術(shù)后吻合口狹窄者中，各有1例在狹窄遠端發(fā)現(xiàn)息肉，12例直腸術(shù)后吻合口狹窄者中，2例發(fā)現(xiàn)吻合口遠端息肉，1例發(fā)現(xiàn)遠端有潰瘍性結(jié)腸炎。在鏡身可通過食管、胃十二指腸、結(jié)直腸狹窄的病例中，利用超細鼻胃鏡對狹窄下方新病變的檢出率分別為8.89%(4/45)、0(0/6)、27.78%(5/18)(表5)。

5 改進方案

針對該扭轉(zhuǎn)彈簧，提取出可能對疲勞耐久性有影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)徑A、線徑B、螺旋圈數(shù)C和自由角度D，其位置示意和優(yōu)化前結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如圖3和表1所示。

參芪扶正注射液聯(lián)合化療治療結(jié)直腸癌的Meta分析…………………………………………………… 吳健瑜等（2）：248

表5 扭轉(zhuǎn)彈簧優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)彈簧由于螺旋圈數(shù)增多，線徑增大，無法與原天窗周邊件匹配，但仍可為其制作天窗框架的手工樣件，以精確了解扭轉(zhuǎn)彈簧優(yōu)化前、后網(wǎng)布張緊力的區(qū)別。按照表1 和表5 分別制作扭轉(zhuǎn)彈簧樣件，優(yōu)化前、后的扭轉(zhuǎn)彈簧各制作2套擋風網(wǎng)分總成，安裝于天窗框架上，在萬能拉伸試驗機上測試擋風網(wǎng)完全彈起時的下壓力，試驗裝置如圖7 所示，測試結(jié)果如表6 所示。由表6 可知，優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)彈簧下壓力增大，網(wǎng)布張緊度提高，有助于改善擋風網(wǎng)風噪。

表6 優(yōu)化前、后扭轉(zhuǎn)彈簧下壓力結(jié)果 N

圖7 扭轉(zhuǎn)彈簧下壓力測試裝置

經(jīng)天窗總成臺架耐久試驗驗證，優(yōu)化后的擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧滿足15 000 循環(huán)耐久要求，改進方案有效。

6 結(jié)束語

本文通過正交試驗分析了天窗擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧各結(jié)構(gòu)參數(shù)對扭轉(zhuǎn)彈簧疲勞耐久性的影響，并判斷了各因素對疲勞耐久性影響程度大小，分析了扭轉(zhuǎn)彈簧剛度與疲勞耐久性的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a. 擋風網(wǎng)扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)因素對疲勞耐久性影響程度從大到小排序依次為內(nèi)徑、螺旋圈數(shù)、線徑和自由角度，扭轉(zhuǎn)彈簧內(nèi)徑對疲勞耐久性的影響程度最大，約占46.5%，自由角度對疲勞耐久性幾乎無影響。

采用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，自我效能及生存質(zhì)量評分為計量資料，以（均數(shù)±標準差）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

b. 扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)剛度與疲勞耐久性無明顯關(guān)系，即存在一個合適的扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)，使其具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度又滿足疲勞耐久性要求。