重型自卸車雙后橋鋼板彈簧設計改進

范學瓊，吳濤，楊銀輝，張瀟，趙化剛

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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設計研究

重型自卸車雙后橋鋼板彈簧設計改進

范學瓊，吳濤，楊銀輝，張瀟，趙化剛

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：某重型自卸車使用的雙后橋鋼板彈簧損壞嚴重，故障率很高；針對這種情況對板簧的斷裂進行分析，確定斷裂的主要原因是鋼板彈簧承載力不足導致早期疲勞斷裂。運用Hyperworks軟件分別完成四種方案的三維建模和應力分析，考慮實用性和經濟性確定最終方案；改進后的鋼板彈簧整體提高了疲勞壽命，臺架試驗可達12萬次以上，市場反應良好，提高了經濟效益。

關鍵詞：鋼板彈簧；失效分析；斷裂；Hyperworks；試驗驗證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.003

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-08-03

引言

隨著我國經濟的發展，自卸車在工程建設中發揮著重要的作用；重型自卸車的承載能力也逐漸的由中型向重型發展。重型自卸車一般都是在工地道路、礦坑道路等惡劣工況中使用，作為車輛承載元件的后鋼板彈簧受力情況尤其變得復雜；除了承受重力，側向力外，還要承受車輛扭曲、振動、沖擊等復雜工況下的各種力。近期某款自卸車雙后橋某型號的鋼板彈簧市場反饋故障率很高；本文選擇該型號鋼板彈簧進行分析研究，并提出解決方案。

1、平衡懸架結構及受力原理

為了保證多軸車輛各軸的車輪能與地面保持良好的接觸，避免因個別車輪懸空而造成其他車輪的超載，多軸車輛常采用雙軸平衡懸架。目前多數商用車廠家多軸自卸車雙后橋結構通常都采用平衡懸架系統（見圖1）；該結構主要由平衡軸、平衡軸支架、鋼板彈簧座、中后驅動橋、鋼板彈簧、上下推力桿總成、U型螺栓等組成；平衡軸支架通過螺栓固定在車架下翼面上，左右兩個平衡軸支架通過平衡軸連接在一起，鋼板彈簧通過U型螺栓固定在鋼板彈簧座，鋼板彈簧兩端支承在中后橋滑板內，下面4根推力桿連接驅動橋和平衡懸架。上面2根推力桿連接車架和驅動橋。車橋、鋼板彈簧、推力桿形成一個整體可繞平衡軸承轂旋轉運動。推力桿傳遞作用在懸架上的各種力和力矩，并通過杠桿作用使其連接的兩軸的車輪保持與地面接觸，并使其承載均勻。

圖1

2、失效原因分析

2.1 失效模式分析

針對某車型雙后橋某型號鋼板彈簧故障模式數據（如圖2），由圖2的帕累托圖可知斷裂占故障比93.7%，為分析改進主要的突破方向。再分析各片的失效模式如圖3，從故障片的帕累托圖分析可知第1片～第9片為主要的失效片數，占比為95.5%，其中第1片失效數量最大（38.1%），為后期分析改進的主要關注點。

圖2　鋼板彈簧總成故障模式的Pareto圖

圖3　鋼板彈簧單片故障模式的Pareto圖

2.2 鋼板彈簧的入庫檢驗

從某廠物資采供中心了解到，2012年故障板簧在所有板簧不合格批次高達67.26%，在其它不合格產品批次中居第一位。對不合格項進行檢驗統計，主要問題是磕碰、劃傷、銹蝕以及中心螺栓材質問題，這些問題中各鋼板彈簧供應商均比較突出，中心螺栓材質問題尤其嚴重。同時對鋼板彈簧運輸物流及安裝現場調研，物流庫房板簧露天存放如圖4，板簧的包裝方式簡陋粗糙如圖5，易造成板簧早期銹蝕、磕碰、劃傷等現象。

圖4　鋼板彈簧露天存放圖

圖5　鋼板彈簧包裝圖

2.3 隨機抽取6個供應商生產的板簧進行臺架疲勞壽命檢驗，以便控制配套廠家的質量，臺架疲勞試驗驗收標準為≥12萬次，試驗結果如表1所示。

表1

從臺架試驗結果可知，在同樣的試驗條件下，只有重慶紅巖和青島零部件的板簧符合要求，說明供應商之間板簧質量差異較大，這也是導致鋼板彈簧早期失效斷裂的原因之一。2.4 根據以上失效數據、理化、鋼板彈簧斷片截面等方面分析，結合市場車輛實際運營情況，超載，路況惡劣等情況；判定鋼板彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂，鋼板彈簧承載力不足，其次，鋼板彈簧供應各廠家質量差異較大，板簧入包裝運輸中的簡陋粗糙等原因。

3、優化方案的確定

針對鋼板彈簧斷裂的主要原因進行結構優化，結構優化原則是在原板簧結構基礎上進行結構改進，板簧材料及硬點安裝尺寸保持不變，后續的設計方案依此為設計基準。鋼板彈簧CAE分析加載示意如圖6所示：約束：約束A、B處節點所有自由度；載荷：首先在C處施加預緊力1424kN將板片壓緊（騎馬螺栓預緊力），在D處平衡軸殼：施加垂直方向，加載力279.3kN。

圖6　鋼板彈簧分析加載示意圖

圖7　最大應力分析結果對比圖

根據圖6分析加載圖進行加載分析，四種優化方案與原方案最大應力對比如圖7所示。

表2　方案對比表

由以上表2分析對比現有方案，方案1各片板簧應力最大，該方案不可行；方案4的板簧應力最小，單車成本增加246元，可作為大噸位車型的技術儲備方案；方案2單車成本增加34元，平均應力稍大，不能有效的降低故障率；方案3單車成本增加140元，平均應力較小，能有效改善板簧的故障，作為備選方案。

4、疲勞分析及市場驗證

為了進一步驗證方案4的可行性，對方案4鋼板彈簧樣件進行了疲勞試驗驗證及應力檢測，疲勞試驗在最大應力833.5Mpa，應力幅323.65Mpa條件下進行；疲勞試驗結果如下圖8所示；根據試驗結果可看出，改進方案疲勞壽命有很大的提升，能夠滿足重載惡劣路況的使用。應力檢測如圖9所示，在紅色標記處布置16個應力采集點，從檢測曲線圖可看出，隨著加載力的增加，1-6通道的應力逐次增加，7-15通道的應力處于同一水平狀態，第16通道應力增加較為明顯，其原因是板簧為自由狀態下的加載，由中心螺栓造成的應力集中現象，應力分布圖見圖10。

圖8　鋼板彈簧疲勞試驗驗證結果

圖9　應力檢測點分布示意圖

圖10　鋼板彈簧應力分布圖

5、結論

本文通過對重型自卸車雙后橋鋼板彈簧斷裂原因進行了分析，通過市場斷裂鋼板彈簧總成及各片失效模式分析，入廠檢驗檢查，各個供應商鋼板彈簧質量抽檢，最終確定鋼板彈簧斷裂原因判定鋼板彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂，鋼板彈簧承載力不足，其次，鋼板彈簧供應各廠家質量差異較大，板簧入包裝運輸中的簡陋粗糙等原因。因此，按板簧材料及硬點安裝尺寸保持不變的原則，在原板簧結構基礎上進行結構改進；用catia三維建模，用CAE分析手段分別完成四種方案應力分析。通過分析結果比對，方案4相比原方案，應力最小，承載力最大。最后經過疲勞壽命分析和應力檢測，改進后的鋼板彈簧（方案4）滿足設計使用要求，疲勞壽命可達到15萬次。目前采用該鋼板彈簧總成車型已批量投放市場，市場反饋效果良好，經濟效益也很顯著。

參考文獻

[1] 張勝蘭,鄭東黎,郝 琪,李楚琳.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007.

[2] 郭正康.現代汽車列車設計與使用.北京:北京理工大學出版社,2006.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應用實例.機械工業出版社,2008.

[4] 王霄鋒.汽車底盤設計.北京:清華大學出版社,2010.

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-08-03

作者簡介：范學瓊，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院商用車研究所，主要從事商用車底盤懸架系統設計。

Improvement design for leaf spring of the double-rear axle heavy dump truck

Fan Xueqiong, Wu Tao, Yang Yinhui, Zhang Xiao, Zhao Huagang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:According to the high failure rate of a heavy duty demp truck’s double-rear axle leaf spring, the reason of fracture were analyzed. The result that the lack of bearing capacity leads to the early fatigue fracture. The Hyperworks software is usedto complete the 3D modeling and application analysis of four schemes and the best scheme is based upon the practical and economic factor. The fatigue life of the improved one is increased by 30% compared with the original. Bench test is as high as 12,000 times, thus a good market reaction and possible improvement of the economic benefit.

Keywords:leaf Spring; failure analysis; fracture; Hyperworks; Test verification