基于DFSS的扭桿彈簧分析及優化設計

王文水，田峰,王月華

(1.通用汽車中國投資有限公司中國工程部，上海 200000；2.一汽通用輕型商用汽車有限公司工程研發部，吉林長春 130000)

基于DFSS的扭桿彈簧分析及優化設計

王文水1，田峰2,王月華2

(1.通用汽車中國投資有限公司中國工程部，上海 200000；2.一汽通用輕型商用汽車有限公司工程研發部，吉林長春 130000)

針對某車型扭桿彈簧的原設計方案，運用DFSS流程，在建立CAE有限元模型的基礎上，綜合分析影響扭桿性能的多種因素，提出了18種備選的改善方案并從中找出最優的設計方案。仿真和實驗結果都表明：優化后的設計方案不僅消除了原設計方案的斷裂風險，還提高了扭桿5%以上的使用壽命，減少了10%的質量；同時也證明了DFSS在汽車零部件質量改善領域的實用性。

扭桿彈簧；DFSS；CAE；優化設計

Abstract:Based on a original design for the torsion bar spring, using the process of DFSS, the CAE finite element model was set up, the factors which affected the torsion bar spring’s function were analyzed comprehensively, eighteen alternative design schemes were proposed, and then the best design scheme was found out from all. Both the simulation results and the road test results prove the optimized design scheme not only eliminates the risk of crack,but also improves the torsion bar spring’s life time more than 5%, declines 10% weight. Moreover, it proves the DFSS’s usefulness in the field of vehicle parts quality improvement.

Keywords:Torsion bar spring; DFSS; CAE; Optimization

0 前言

扭桿彈簧是一種利用扭桿的扭轉變形起作用的彈性元件，已經廣泛應用在輕型汽車、轎車、越野汽車的懸架系統[1]。采用扭桿彈簧的懸架具有質量輕、結構簡單、占用空間小等優點。決定扭桿彈簧性能的參數主要有材質、外形尺寸、熱處理工藝等。從材質上來講，一般采用彈簧鋼進行加工，常用來制造扭桿彈簧的材質有60Si2Mn、40Cr、42CrMo等材料；從外形尺寸上來講，桿身長度、桿身直徑是其設計的主要考慮參數；從熱處理角度來講，常用的熱處理方式為整體淬火和感應淬火等。不同材質搭配不同直徑及熱處理方法制作成的扭桿性能各不相同。當發生質量問題時，往往是多種因素造成的，如果僅在生產過程中改變一種因素，很難做到真正地解決問題。因此，有必要采用合適方法對扭桿彈簧從設計方案的層面進行分析及優化。

DFSS(Design For Six Sigma)意為六西格瑪設計。六西格瑪是一套系統的、集成的業務改進方法體系，它通過系統地、集成地采用業務改進流程，實現無缺陷的過程設計[2]。常用的DFSS流程分為識別(Identify)、定義(Define)、展開(Develop)、優化(Optimize)、驗證(Verify)[3]。文中采用DFSS方法，以某型號卡車扭桿彈簧的設計方案為例，對扭桿彈簧進行分析和優化。實驗室及道路試驗結果表明：優化后的設計方案有效避免了扭桿彈簧斷裂的風險，且整體質量減少了約10%。

1 原設計方案的安全風險分析

應用在某型號卡車的扭桿彈簧，原始設計方案的主要參數如表1所示。

表1 扭桿彈簧原設計方案主要參數

其結構如圖1所示，分為調節臂、軸套、扭桿、搖臂幾個部分；同時，為了防止扭桿在運輸過程中從軸套及搖臂中掉落，在扭桿前后各追加了一個固定螺栓。

根據上述設計參數建立有限元模型，用CAE軟件分析發現：由于5、6兩個固定螺栓的存在，使扭桿在扭轉時不僅受到剪應力，還受到了螺栓帶來的垂直于軸向的壓應力，導致扭桿轉動時應力集中，具體集中的程度依據螺栓緊固的程度不同而定(如圖2所示)。另外，原設計中扭桿采用的熱處理方法是整體淬火，由于扭桿花鍵端不能進行熱處理，所以如果采用這種淬火方式，容易在桿身與花鍵的過渡處因淬火應力過大而造成裂痕。扭桿彈簧對這種裂痕十分敏感，350 μm深的裂痕會使裂痕周圍應力增加約75%，在扭轉時會在裂痕處形成應力集中，最終造成疲勞性破壞。圖3即為扭桿彈簧因淬火裂痕導致斷裂的實例。因此，可以判定該扭桿彈簧的原設計方案存在安全風險，容易因應力集中而出現疲勞性斷裂的問題。

上述對于扭桿彈簧安全風險的分析，亦是DFSS的問題點識別過程。

2 改善方案的提出

從表面上看，造成扭桿彈簧質量風險的因素主要是固定螺栓和淬火方式，但實際上影響扭桿彈簧整體耐久性的因素還包括材質、外型尺寸等，如果僅僅是“頭痛醫頭”地改變扭桿構造或淬火方式，很難達到最優化設計的目的，因此有必要對上述各因素進行系統的分析。DFSS流程中運用圖4所示的方式表達各因素之間的關系。

圖4中，控制因素即為影響扭桿性能的主要量化性可控因素。為了消除扭桿質量風險，可從如下幾個方面改進：

(1)對于扭桿結構中的固定螺栓，可以將扭桿彈簧的裝配工藝由原有的供應商組裝后以總成形式運輸到汽車制造廠，改為以散件的形式運輸到汽車制造廠后再裝配成總成，這樣就無需考慮運輸過程中的扭桿脫落問題，從而在結構上直接取消固定螺栓。

(2)對于熱處理方式，可以選擇感應淬火作為備選方案，不過由于不同的淬火方式對于金屬材質也有不同的要求，因此在確定淬火方式的同時，也有必要重新考慮扭桿彈簧的材質及外形尺寸。參考扭桿彈簧常用材質及常見規格，確定各參數備選方案，如表2所示。

表2 扭桿彈簧備選設計方案表

像這種依據客戶及質量的要求，轉化為對于工藝的要求，提出設計方案的過程，便是DFSS的定義過程。

3 改善方案的分析及優化

根據表2，可以看出3種設計參數的任意一種組合都可以成為一種設計方案，一共有18種設計方案。如果對這18種方案都進行試制驗證，必然浪費較多的時間和成本，因此有必要在試制之前對各種方案進行分析和篩選，選擇最優化的方案進行試制驗證。

從扭桿彈簧的淬火質量角度來講，淬火的目的就是為了提高金屬材質的力學性能。扭桿扭轉時承受的剪應力主要集中在表面，因此需要較高強度的表面硬度，而為了更好地吸收載荷，又需要較小芯部硬度來提高其柔韌性。感應淬火又稱表面硬化熱處理，這種淬火方式可以使扭桿表面硬度較高(大于HRC 50)、內部硬度較低(小于HRC 40)，且淬火變形小，能提高扭桿彈簧的表面質量[4]，不易形成裂痕，沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性都有很大提高[5]，因此該扭桿彈簧更適宜使用此種熱處理方法。

在變形量方面，采用CAE軟件進行分析。首先建立有限元模型如圖5所示，該模型的相關參數如表3所示。

單元類型網格劃分方法節點數量SOLID186/SURF154SWEEP21027

在不考慮淬火的情況下，就9種扭桿模型加載相同的850 MPa應力，得到扭轉變形量如表4所示。

表4 扭桿彈簧扭轉變形量

根據表4可知：在施加相同應力的情況下，40Cr材質、25.5 mm直徑的扭桿彈簧變形量最小，其次是同材質的24 mm扭桿。容易推得，變形量越小，彈簧顯得越硬。對于車輛來講，扭桿彈簧越硬，駕駛員舒適性越不好，但是相應地可以防止車輛制動時出現“點頭”現象，對安全性和操作性有益。由于該扭桿應用于載重型卡車上，安全性及操作性的要求要優于舒適性的要求，況且駕駛舒適性可以選用質量較好的座椅來彌補，因此該扭桿更適合選用變形量較小的設計方案。

從使用壽命角度來講，將上述有限元模型導入CAE壽命分析模塊中，得到表5所示的壽命結果。值得注意的是，此次耐久性分析限于CAE軟件的功能，無法考慮扭桿彈簧的熱處理狀態，因此計算結果要小于實際壽命，但各種扭桿使用壽命長短的趨勢是可以參考的。

表5 扭桿彈簧扭CAE耐久性分析結果

從表5可知：扭桿彈簧的耐久性并不是嚴格地按照直徑的增加而單調變化，而是先增加、后減小。25.5 mm直徑耐久性低于24 mm直徑耐久性，是由于直徑越大、扭桿截面承受高應力的面積越大，從而耐久性越差；24 mm直徑耐久性高于22 mm耐久性，是由于扭桿端部存在一個桿身直徑到花鍵直徑的過渡區，直徑越小，過渡區的直徑差越大，從而耐久性越差。因此扭桿彈簧的直徑值與耐久性的關系存在一個最優值。此次分析中，40Cr材質、24 mm直徑的耐久性趨勢最好，可作為優先選擇方案，且此種方案在扭桿扭轉到最大角度43°時的最大應力為811 MPa，滿足安全使用的要求。CAE分析結果如圖6所示。

綜合熱處理、扭轉變形量、使用壽命等幾個因素的分析結果，最終選定40Cr材質、24 mm直徑、感應淬火這種扭桿彈簧作為設計方案的最終優化結果并進行試制驗證。

優化后的設計方案和原設計方案相比有如下優勢：

(1)新設計方案在同等應力下變形量減小0.32°，使用壽命延長5%以上；

(2)新設計方案淬火后的表面質量更好，抵御斷裂風險的能力大大提高。

(3)新方案由于材質、外形尺寸的變更，整體質量由原設計的3.7 kg減少為3.3 kg，減少幅度約為10%，實現了輕量化，降低了整車油耗。

上述對各種設計方案進行了多角度的綜合分析并選擇最優方案的過程即是DFSS的展開及優化過程。

4 試制驗證

基于最優設計方案，試制若干扭桿彈簧并對其進行鹽霧試驗、耐久性實現、道路試驗，結果顯示能夠滿足該車型的使用要求。主要試驗結果如表6所示。

表6 扭桿彈簧實驗結果

5 結論

綜上所述，得到如下結論：

(1)以DFSS流程為分析方法，詳細研究了直徑、材質、熱處理方式等因素對于扭桿彈簧的性能影響，最終從18種備選設計方案中選定40Cr材質、24 mm直徑、感應淬火這種扭桿彈簧作為最優選案。該方案有效消除了原設計方案的質量風險，使扭桿彈簧在使用安全性和使用耐久性上提升5%以上，降低了扭桿斷裂的概率，整體質量減輕約10%。

(2)扭桿彈簧的耐久性和直徑及材質有關，但并不是嚴格地按照直徑的增加而單調變化，而是存在一個最優值。

(3)DFSS作為一種從最初設計中查找問題原因的方法，相比于其他僅從生產過程中尋求改善的方法來講，能夠真正地從根本上找到問題發生的原因，提升產品的質量。

(4) DFSS流程能夠使分析人員在分析多種因素并存的復雜問題時，有效地找到最優方案，節省分析的時間，降低驗證的成本。

【1】 孫為群，何鳳鳴.汽車扭桿彈簧的設計與制造[J].汽車科技,2002(2):23-25.

【2】 馬林，何禎.六西格瑪管理[M].北京:中國人民大學出版社,2007:13-15.

【3】 朱正禮,杜建福,蘭志波.DFSS在新能源汽車電子產品開發中的應用[J].機械設計與制造,2012(2):253-255.

【4】 BELLIATO Yannick,VOISIN Jean Dominique,VUILLEMARD Frédéric.Alternative Manufacturing Technology of Torsion Bars with Hexagonal Ends for Front Suspension of Trucks[R].SAE Technical Paper Series,1999.

【5】 周海，曾少鵬,袁石根.感應加熱淬火技術的發展及應用[J].熱處理技術與裝備,2008(6):9-15.

AnalysisandOptimizationforTorsionBarSpringBasedonDFSS

WANG Wenshui1,TIAN Feng2, WANG Yuehua2

(1.GM China PE Department, Shanghai 200000,China;2.R & D Department,FAWGM Company, Changchun Jilin 130000,China)

2014-04-09

王文水，碩士研究生，工程師，主要研究方向為汽車底盤設計。E-mail:kevin.w.wang@gm.com。