汽車鋼板彈簧臺架試驗與疲勞分析

楊志剛，張紹國

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

汽車鋼板彈簧臺架試驗與疲勞分析

楊志剛，張紹國

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于損傷等效原則，用臺架試驗方法分析和預測鋼板彈簧在試驗場的疲勞壽命。首先通過臺架試驗建立鋼板彈簧的應力壽命S-N曲線，在試驗場載荷譜數據采集的基礎上，分析鋼板彈簧臺架試驗次數與整車試驗里程之間的當量關系，預測鋼板彈簧是否滿足整車使用條件，并在試驗場進行整車道路試驗驗證。試驗結果表明采用零部件S-N曲線和載荷譜結合方法，能夠通過臺架試驗較準確預測鋼板彈簧在試驗場的使用壽命。

鋼板彈簧；疲勞壽命；載荷譜；S-N曲線

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-104-04

前言

試驗是保證零部件質量進而保證整車質量的重要手段，也是確保產品質量的有效途徑，臺架試驗能否反映與道路試驗一樣的失效模式，是評價試驗方法正確與否的關鍵因素。隨著我國汽車工業的高速發展，各個汽車企業都在逐步建立并完善自身的設計和開發機制，可靠的試驗手段則是其中一個關鍵的環節。室內臺架試驗由于試驗重復性好、試驗周期短，已經成為在汽車設計開發中的主要手段。利用利用損傷等效原則，將零部件在試驗場和試驗臺的載荷進行當量換算，能在相對短的時間內完成結構件的疲勞壽命評估。

鋼板彈簧作為商用車主流配置之一，60%以上的板簧工作應力超過700 MPa，80%以上板簧工作的極限應力處于1000 MPa 以上。板簧材料可承受高工作應力，意味著可節省更多的材料，實現產品輕量化【1】。鋼板彈簧在使用的過程中由于頻繁承受路面不平引起的沖擊和振動，容易發生結構斷裂失效【2-4】。在鋼板彈簧輕量化設計及臺架試驗中，疲勞壽命試驗是最重要的測試項目，在這種試驗中，關鍵問題就是要確認臺架試驗能否真實反映與實際路面相同的失效模式。本文基于鋼板彈簧道路載荷的使用情況，建立了一套鋼板彈簧臺架耐久試驗方法及評價體系，通過早期臺架試驗評判鋼板彈簧的耐久壽命是否達到道路試驗里程的設計要求，避免道路試驗成本高、周期長的不良影響，加快新產品的開發進度。

1、道路數據標定

所有有價值的測試都是以對車輛實際運行載荷的理解為基礎。載荷采集主要有傳感器及應變片布置、靜態標定、數據采集及分析三個步驟組成：

1.1 測點位置

在CAE分析基礎上，選取鋼板彈簧上8個位置作為數據采集點，如圖1所示。

1.2 靜態標定

靜態標定確定在車輛靜止狀態下，車輛的簧上質量對鋼板彈簧各個測點施加的垂向載荷大小，該載荷作為最終臺架試驗預載輸入。該項工作的目的在于了解板簧實際測試時所受的簧上靜載。靜態標定過程如下：

（1）安裝傳感器，檢查傳感器信號線；

（2）用千斤頂在車架位置施加載荷，使車輪懸空，靜止穩定后所有傳感器清零；

（3）將車輪緩慢放下，等待車輛狀態完全穩定后記錄此時鋼板彈簧的應變值。

如此反復測試三次，記錄平均值，8個測點位置應變如表1所示。

表1 鋼板彈簧靜態標定應變數據

1.3 數據采集

該試驗車的道路載荷譜采集，在試車場綜合路進行，包括：石塊路、跳動路，顛簸路，長波路，短波路，鵝卵石路，扭曲路，魚鱗坑路，大搓板路，比利時甲一，比利時乙及各種過渡路面，單圈里程6.4km。

本次試驗車為標載牽引車，在試驗場完成三次試驗數據采集，以保證試驗數據的一致性。試驗數據經過濾波、去毛刺等處理，鋼板彈簧8個測點位置的時域信號如圖2所示：

2、臺架試驗與S-N曲線

2.1 臺架試驗

疲勞破壞是在動態載荷多次作用下局部損傷積累的結果。根據圖2的時域動態應變，以測點1為基準，對8個測點以無量綱形式進行相對損傷歸一化，如圖3所示。圖3表明：在三次測試中，測點 3為整架鋼板彈簧中疲勞損傷最大的位置，即最易出現疲勞斷裂，應作為疲勞試驗的重要考核點，測點5的相對損傷最小。

在臺架上對測點3進行數據標定，得到鋼板彈簧應變-載荷的關系曲線，如圖4所示。根據圖4中的標定曲線，結合表1中測點3位置靜態標定數據，計算得到鋼板彈簧承受靜態簧上質量為24.4kN。

在鋼板彈簧臺架試驗設備上，先施加24.4kN預載荷，然后分別選取應力范圍為 628.5MPa和 546MPa兩種恒幅正弦波，各三架鋼板彈簧進行等應力臺架疲勞試驗，如圖5所示。

在臺架試驗過程中，記錄每架鋼板彈簧試驗過程中發生的斷裂次數，試驗結果如表2所示。

表2 鋼板彈簧臺架試驗壽命

2.2 鋼板彈簧S-N曲線

結構件S-N曲線是通過對樣件施加不同量級的等幅循環載荷直至樣件發生斷裂，獲得不同的載荷量級所對應的失效次數【5】。高周疲勞試驗S-N曲線一般采用成組法，選定4到5個應力級別，每個級別大于6個樣品，最后在雙對數坐標系下繪制曲線。材料經過加工和熱處理以后，由于幾何形狀改變以及加工缺陷等原因，造成材料S-N曲線和零部件S-N曲線有較大差異【6】，通過臺架試驗對零部件進行疲勞試驗，可以獲得零部件疲勞壽命S-N曲線，能夠極大提高零部件壽命預測的準確性。

鋼板彈簧采用 50CrV4合金鋼材料，抗拉強度 σb (MPa)：≥1274，屈服強度 σs (MPa)：≥1127。根據表 2中的測試結果，在95%置信區間水平下，繪制10%和50%高、低應力失效概率圖，如圖6所示。圖6中左圖表明在682.5MPa高應力范圍水平下，在臺架試驗過程中 50183次循環發生破壞的概率為10%，99639次循環發生破壞的概率為50%。圖6中右圖表明在546MPa低應力范圍下，鋼板彈簧在臺架試驗過程中 141230次循環發生破壞的概率為10%，192589次循環不發生破壞的概率為50%。

S-N曲線的意義在于從宏觀上建立了應力水平與失效次數的對應關系，而不涉及微觀的疲勞機理。正因為如此，S-N曲線為宏觀統計的疲勞定壽方法提供了衡量標尺。S-N曲線雙對數形式如公式（1）所示，公式中S與N為雙對數線性關系【7】。

式中：S為應力幅值，N為樣件失效循環次數， C為材料常數，m經過推導可由公式（2）計算得到。

根據圖6中鋼板彈簧高、低應力失效數據，可以繪制鋼板彈簧10%和50%失效概率圖S-N曲線，如圖7。國標“GB/T 19844-2005”鋼板彈簧疲勞試驗方法，要求在應力范圍 647.2MPa恒幅正弦波加載條件下，鋼板彈簧疲勞壽命不小于80000次，從圖7中S-N曲線可以預測按照該試驗方法，鋼板彈簧在 65000次發生斷裂概率為 10%，在120000次發生斷裂概率為50%，如果定義零部件合格率為90%，則該批鋼板彈簧不滿足國標臺架試驗疲勞壽命80000次的試驗要求。

3、鋼板彈簧壽命預測

基于鋼板彈簧的載荷譜數據和零部件S-N曲線，能夠在nCode軟件通過雨流計數法對鋼板彈簧的道路使用壽命進行預測。

3.1 道路試驗壽命預估

雨流計數法將載荷-時間歷程中載荷的幅值分為若干水平，通過載荷、反向點、變程三個主要參數對隨機載荷譜進行統計，通過損傷累計方法計算出鋼板彈簧在道路試驗過程中損傷值大小【8】。圖8為測點3位置雨流計數結果，該圖統計共有7834個循環，反向點15670個，最大應力范圍Range 768.68MPa，中值Mean 384.34 MPa，該循環損傷3.466e-5，在整個雨流計數中發生一次。

根據圖2載荷譜，按照90%的存活率要求，即圖7中N10S-N曲線，對鋼板彈簧8個測點進行壽命評估，計算結果如表3所示。表3中測點3的壽命為6763.5 km，測點2為7484.2km，測點7為9410.5km，上述三個位置均達不到鋼板彈簧整車搭載試驗為12000km試驗里程要求。

表3 各測點損傷及壽命

選用同樣的鋼板彈簧在定遠試驗場進行整車耐久試驗，該鋼板彈簧在行駛7615km發生了斷裂，如圖9所示，斷裂位置為中心螺栓左側 380mm附近，與測點3位置非常接近，表明本文采用鋼板彈簧疲勞預測方法有很高的準確性。

3.2 臺架與道路試驗當量換算

國標“GB/T 19844-2005”鋼板彈簧疲勞試驗方法，在應力范圍647.2MPa恒幅正弦波加載條件下，根據圖7可以預測鋼板彈簧65000次發生斷裂概率，根據Miner線性損傷準則計算公式（3）【9】，可以得到臺架試驗恒幅值正弦波損傷Db為1.54E-05。

式中：k為循環失效次數；

表3中測點3損傷值為9.46E-04，按照損傷當量換算原則，按照公式（4）計算得到道路和臺架試驗換算系數α：

式中：Dr為測點在綜合路單圈的損傷；

公式（4）表明鋼板彈簧在應力范圍647.2MPa恒幅正弦波加載條件下進行臺架試驗，61.26個循環與試驗場綜合路單圈6.4km里程損傷當量相當，鋼板彈簧如果要滿足試驗場整車耐久設計里程12000km的要求，即1875個循環，則臺架試驗需要保證114862.5次不發生斷裂。

4、結論

基于零部件S-N曲線和載荷譜，建立鋼板彈簧臺架與道路關聯的疲勞試驗預測方法，能夠準確預測鋼板彈簧的使用壽命，使臺架試驗充分反映道路試驗的使用情況，用較短時間和成本實現對鋼板彈簧壽命的早期評估，指導產品的輕量化設計與質量改進，提高整車可靠性。

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Bench Test and Fatigue Analysis on Leaf Spring of Heavy TrucK

Yang Zhigang, Zhang Shaoguo
(Shaanxi Heavy Duty Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200)

Based on equal damage principle, the fatigue life of leaf spring in proving ground was predicted by bench test method. First the fatigue life S-N curve of leaf spring was built by bench test. Combined with load spectrum acquisition in proving ground , the leaf spring equivalent relation between durability cycles by bench test and road running kilometers was determined. Then the using feasibility of leaf spring in proving ground was evaluated, and the leaf spring road verification test was completed in proving ground. The result shows that the proving ground fatigue life of leaf spring can be calculated in bench test with component S-N curve and load spectrum.

leaf spring; fatigue life; loading spectrum; S-N curve

U467.3

A

1671-7988(2015)05-104-04

楊志剛，高級工程師，研究方向：整車開發與設計。

國家863計劃項目2012AA111106。