基于整車鋼板彈簧疲勞分析及創新型板簧疲勞試驗臺架設計

康百川，何云峰

（1.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

基于整車鋼板彈簧疲勞分析及創新型板簧疲勞試驗臺架設計

康百川1，何云峰2

（1.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

討論了單副鋼板彈簧的疲勞分析和基于整車鋼板彈簧疲勞分析兩者之間的誤差，分析了單副鋼板彈簧的疲勞分析及基于整車鋼板彈簧疲勞分析的誤差產生的原因。設計了一套新型汽車懸架用鋼板彈簧試驗臺架開發，其特征在于能夠準確模擬懸架鋼板彈簧疲勞壽命試驗，提高鋼板彈簧臺架試驗的準確度，為優化傳統板簧疲勞試驗臺架設計提供了新思路。

鋼板彈簧；疲勞試驗；疲勞試驗臺架

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-69-03

前言

鋼板彈簧作為汽車的關鍵彈性元件，因其結構簡單、成本低廉而被廣泛應用，作為汽車的關鍵彈性元件，其對整車操穩平順及安全性都有著重要的影響。隨著CAE技術的發展，我們對鋼板彈簧剛度的設計也越來越準確，但對產品的質量控制卻仍然缺乏先進實驗設備的驗證，路試車板簧斷裂仍然是板簧主要發生的TIR問題之一。

板簧在實際工作中受力非常復雜，經計算和分析表明，板簧在實車工作中前段和后段受力不同，受力方向也比較復雜，而目前的鋼板彈簧試驗臺架，大多數采用兩端滾車約束，對稱加載的方式進行疲勞試驗，顯然不是較為理想化的加載方式，不能很好的模擬實際工作中較為復雜的板簧受力工況。經過了臺架試驗驗證的板簧，在整車實際路試中依舊出現問題，也說明了目前試驗臺架準確度的問題。

本文主要模擬分析了鋼板彈簧傳統試驗臺架疲勞試驗與整車狀態疲勞試驗的誤差，且設計了一種新型試驗臺架，旨在實車設計階段就能快速、準確地提取板簧性能數據及進行疲勞試驗，精確模擬板簧在實際工況中的運動軌跡及受力，以求精確的進行鋼板彈簧疲勞壽命驗證，幫助車企在設計階段發現問題，提高產品質量，縮短整車開發周期，降低成本及風險。

1、板簧臺架試驗受力分析

目前車企及板簧供應商的試驗臺架基本為傳統的兩端滾車、垂直加載的試驗臺架，信號發生器波形種類：正弦波，方波，三角波，斜波，如圖1所示。

圖1 傳統板簧試驗臺架

傳統臺架在試驗過程中，兩端卷耳分別向兩端平行移動，液壓缸始終垂直施加壓力，且加載位置固定，簡化的加載模型，導致板簧受力與實車有所不同。并且傳統的試驗臺架只能做單副板簧的疲勞壽命驗證，而實車狀態則更傾向于整個懸架的疲勞壽命，且板簧在實車上的跳動，是以輪跳軌跡線為施力點加載，兩者之間板簧受力是有差異的，圖2為板簧實車跳動軌跡。

圖2 板簧實車跳動軌跡

2、CAE分析

為了驗證傳統試驗臺架和實車狀態板簧疲勞壽命之間的誤差，我們采用了Fe-safe軟件，模擬兩種不同的約束條件對板簧疲勞壽命進行分析驗證。

2.1 加載條件

根據板簧試驗條件，板簧在夾緊狀態下，以特定變形A的位置為基準，以一定振幅B（保證最大回位時板簧仍處于壓縮狀態，例如取變形100mm，振幅取±65mm，需根據不同車型板簧參數確定）、頻率加載，10萬次（目前國標要求8W次）循環后，零件不能損壞。

根據某車型實際質量參數，空載2400N，上極限彈簧受力6700N，按照正弦波載荷力加載，載荷力為（6700-2400）Sin（πt）。

2.2 傳統臺架試驗模擬分析

利用HyperMesh建立網格模型，用abaqus約束、計算，模型見圖3所示。

圖3 傳統試驗方法模型

用Fe-safe軟件進行后處理計算，得出結果，見圖4、圖5、圖6所示。

圖4 第一片疲勞分析結果

圖5 第二片疲勞分析結果

圖6 第三片疲勞分析結果

經分析，第二片板簧在循環加載10W次時發生斷裂。

2.3實車狀態板簧疲勞分析

同樣利用HyperMesh建立網格模型，用abaqus約束、計算，模型見圖7所示。

圖7 實車狀態板簧約束模型

用Fe-safe軟件進行后處理計算，得出結果，見圖8、圖9、圖10所示。

圖8 第一片疲勞分析結果

圖9 第二片疲勞分析結果

圖10 第三片疲勞分析結果

根據分析，第二片板簧在循環加載8W次時發生疲勞斷裂。

2.4 兩種約束方法分解結果比較

根據3.2、3.3分析結果，傳統試驗臺架試驗10W次時發生疲勞斷裂，而實車狀態下板簧8W次就已經發生疲勞斷裂。由此可見，傳統的試驗臺架由于不能精確模擬板簧實車運動和受力而可能導致試驗結果不準確。

3、新型臺架設計

為了解決傳統試驗臺架加載偏差的問題，本文討論了一種新型板簧試驗臺架設計方案。解決上述問題采取的技術構思為，通過兩個液壓缸在不同方向控制并加載，精確模擬鋼板彈簧在實車的跳動軌跡。由于每輛車的硬點和板簧跳動軌跡唯一且可以提供，所以可以通過控制系統控制液壓缸加載，真實模擬板簧受力。

試驗臺架設備由兩個液壓缸、板簧夾裝平臺、控制系統等組成。鋼板彈簧前后吊耳位置，按照實車硬點安裝，精確模擬實車板簧狀態。小型的液壓缸用于推動主加載液壓缸，使其完全按照板簧運動軌跡施力點加載，保證板簧受力符合實際工況。試驗臺架設備簡圖見圖11。

圖11 新型板簧疲勞試驗臺架

臺架系統部件組成：1-立柱；2-主加載液壓缸固定支架；3-主加載液壓缸固定螺栓；4-主加載液壓缸限位輔助支架； 5-主加載液壓缸；6-主液壓缸限位塊及滑軌；7-試驗臺架框體承力梁；8-板簧后吊耳位置可調式支架；9-第一傳感器；10-加載中心軌跡調整輔助液壓缸；11-輔助液壓缸固定支架；12-板簧前吊耳位置可調式支架；13-板簧前吊耳安裝支架 ；14-鋼板彈簧；15-第二傳感器；16-主控臺；17-U型螺栓；18-鋼板彈簧后吊耳板；19-板簧后吊耳安裝支架。

本文設計的鋼板彈簧試驗臺架是對現有傳統鋼板彈簧試驗臺架實驗數據可能存在問題而進行的創新，是一個新型試驗方式的構思，約束機構及零部件設計方案不是本發明重點闡述對象。

如圖11所示，該試驗臺架能夠適用于各種類型的鋼板彈簧，臺架寬度方向可以安裝不同長度的鋼板彈簧，且夾具可調，可按照實車硬點安裝，精確模擬實車板簧裝配狀態，且能夠準確的模擬板簧實際運動和受力進行疲勞試驗，具有實驗精確度高、費用較低等特點，主要特點包括：1.可進行靜剛度試驗和疲勞試驗；2.適用于不同尺寸的板簧夾裝和試驗；裝和試驗；3.可以根據要求調節不同車輛板簧安裝點和輪跳軌跡；4.采用實車吊耳板，襯套等進行裝載，真實反映板簧工況；5.減少板簧懸架開發成本和周期，提高效率。

4、結束語

本文通過模擬鋼板彈簧傳統試驗臺架加載方式和實車工作方式受力進行疲勞分析，得出傳統臺架并不能精確模擬板簧實際受力的結論，進而對傳統板簧試驗臺架進行設計改進，提出一種新型板簧疲勞試驗臺架設計構思。搭建一臺能夠實際工作的新型臺架，并進行大量鋼板彈簧疲勞試驗，建立試驗數據庫，切實有效的提高板簧疲勞壽命試驗準確度，將是我們未來的努力方向。

[1] 張英會等,彈簧手冊[M].北京：機械工業出版社,2008.7.

[2] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社,2003.

[3] 周傳月.疲勞分析應用與實例[M].北京：科學出版社,2005.

[4] 顧永梁.少片鋼板彈簧的結構設計與疲勞壽命計算[D].長沙：湖南大學，2012.

[5] 余志生.汽車理論[M].第二版.北京：機械工業出版社,2009.

Based on the vehicle leaf spring fatigue analysis and leaf spring fatigue test bench design

Kang Baichuan1, He Yunfeng2
（1.AISN AUTO R&D CO.,LTD, Guangxi Liuzhou 545000；2. SAIC-GM-Wuling Automobile TDC, Guangxi Liuzhou 545000）

Single pair of leaf spring fatigue analysis is discussed and based on the vehicle leaf spring fatigue analysis of the error between the two, analyzes the single pair of leaf spring fatigue analysis and based on the vehicle leaf spring fatigue analysis of the causes of error. Design a new type of car suspension spring test- bench is developed, its feature is the ability to accurately simulate the suspension leaf spring fatigue life test, enhance the accuracy of steel plate spring bench test, in order to optimize the traditional plate spring fatigue test bench design provides a new way of thinking.

leaf spring; fatigue test; fatigue test bench

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-69-03

康百川，就職于湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，從事底盤及懸架系統研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.023