某商用車輕量化板簧結構強化研究

曾 凱 ， 黃 勤 ， 董勇峰

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

隨著國家產業結構調整升級，城鄉經濟得到蓬勃發展，以網絡線上購物興起為典型代表的新型經濟業態，為輕型商用輕卡車市場帶來了巨大機遇[1-2]。然而，近年來全國各地陸續出現了輕卡超載超速的交通事故，已經嚴重影響了人民財產和生命安全。在此背景下，國家出臺了治超的嚴格法規政策，輕量化設計已經成為輕卡行業競爭高地和重要發展方向。輕量化技術旨在保證汽車的強度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能地減輕整備質量，進而提高汽車綜合性能，實現低碳綠色環保可持續發展[3-4]。因此，研究商用輕卡輕量化，具有顯著的經濟價值和社會效益。

1 復合材料輕卡板簧結構優化設計

鋼板彈簧是由若干片等寬但不等長的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁，多數情況下由多片彈簧組成。鋼板彈簧的第一片也是最長的一片為主片，其兩端彎成卷耳，內裝襯套，以便用彈簧銷與固定在車架上的支架或吊耳作鉸鏈連接。中心螺栓用以連接各彈簧片，并保證裝配時各片的相對位置。除中心螺栓以外，還有若干個彈簧夾將各片彈簧連接在一起，以保證當鋼板彈簧反向變形（反跳）時，各片不致互相分開，以免主片單獨承載。此外，還可防止各片橫向錯動[5]。鋼制板簧結構示意圖如圖1所示。

圖1 鋼制板簧結構示意圖

為了實現輕量化目的，研究小組開展了輕量化少片簧方案設計。采用2～3 片變厚度斷面的彈簧片構成的少片變截面鋼板彈簧，其彈簧片的斷面尺寸沿長度方向是變化的，片寬保持不變，某輕量化板簧強化試驗結果示意圖如圖2所示，可以實現減重約20 kg。

圖2 某輕量化板簧強化試驗結果示意圖

2 輕量化少片簧強化試驗斷裂原因

2.1 輕量化少片簧試樣表面質量分析

研究小組對輕量化少片簧斷裂件試樣進行了表面質量檢測，主要檢測內容為上表面機械噴丸覆蓋率，輕量化少片簧試樣表面質量檢測結果示意圖如圖3 所示。檢測結果顯示上表面機械噴丸覆蓋率為96%，滿足接受標準85%，同時斷裂位置上表面未發現壓痕及起皮問題，結果合格。

圖3 輕量化少片簧試樣表面質量檢測結果示意圖

2.2 輕量化少片簧試樣晶像分析

零部件故障問題，通常是宏觀層面展現出來，但其問題產生的原因需要從微觀組織中進行分析。研究小組對輕量化少片簧試樣分別進行了硬度測試、鏡像組織測試及脫碳層厚度測試，得到如圖4 所示的測試結果：少片簧板簧硬度為43，滿足接受標準（>40）；鏡像組織結果顯示，回火屈氏體4 級，符合設計目標；輕量化少片簧脫碳層厚度為0.11 mm，滿足接受標準（脫碳層厚度需<0.35 mm）。

圖4 輕量化少片簧試樣晶像測試結果示意圖

2.3 輕量化少片簧斷口分析

研究小組對輕量化少片簧進行了斷口分析，得到如圖5 所示的分析結果。通過圖示可以判斷出，上表面板簧凹弧面為受拉面，斷口斷面基本垂直于板簧縱向，且疲勞源表面平滑，具備典型的疲勞斷裂特征。從斷口的全貌來看，疲勞擴展區面積較小，瞬斷區面積較大，出現了典型疲勞脊狀形狀，表明該板簧服役期間承載了較大載荷，瞬斷區板簧邊緣銳邊，且面積較小，說明組織韌性較好，綜合判斷該輕量化少片簧斷裂過程為往復交變應力作用下的疲勞斷裂模式。

圖5 輕量化少片簧斷口分析結果示意圖

2.4 輕量化少片簧接觸分析

研究小組對輕量化少片簧進行了接觸分析，得到如圖6 所示的分析結果。表明板簧失效位置為第二片U 型螺栓位置附近，同時也是受力最大位置區域，斷口呈現明顯的多點斷裂和疲勞斷裂特點，從斷裂處接觸狀態可以判斷，在斷口附近存在局部未接觸區域，從而導致斷口在高承載工況下，局部接觸應力增大顯著，進而產生多點接觸疲勞源，出現斷裂失效問題。

圖6 輕量化少片簧接觸分析結果示意圖

3 輕量化少片簧結構強度優化

基于工程材料學和汽車結構設計理論，研究小組開展了輕量化少片簧結構強度優化。主要設計方法是保持前簧板簧片數，增加后簧片數，以提高輕量化板簧的承載強度和疲勞性能，在確保力學性能的前提下，取得輕量化減重的平衡。輕量化少片簧強度優化方案如圖7所示。

圖7 輕量化少片簧強度優化方案示意圖

在完成輕量化少片簧強度優化方案結構設計后，同步開展了其主要承載單片簧CAE 強度分析，工況為X3 g、Y3 g 和Z8 g。優化方案板簧X 向3 g 工況下的最大拉應力為418 MPa, Y 向3 g 工況下的最大壓應力為507 MPa，Z 向8 g 工況下的最大拉應力為329 MPa，板簧鋼材料拉應力應<550 MPa，壓應力應<650 MPa，故本研究的輕量化板簧優化方案強度性能滿足要求[6]。

4 結論

研究小組基于工程材料學和汽車結構設計理論，對某輕量化少片簧強化試驗出現斷裂問題進行了詳細的分析，分別開展了試樣表面質量分析、晶像分析、斷口分析和接觸分析，同時開展了優化方案的結構設計和CAE 強度分析。結果顯示，斷裂的主要原因是高承載工況下局部接觸應力過大，導致產生多點接觸疲勞源，并出現斷裂問題，優化方案滿足了強度性能，同時實現了輕量化目標。