汽車天窗擋風網扭轉彈簧疲勞耐久和扭轉剛度平衡優化

劉杰 戴一濤

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

為減弱車輛高速行駛工況下全景天窗玻璃板開度較大時車內空腔產生的亥姆霍茲（Helmholtz）共振效應，全景天窗一般均裝配彈起高度較高的網狀導風結構，即擋風網。高速氣流流經車頂開口時，擋風網可以避免或減少分離的渦流進入車內，進而大幅度降低渦流高頻周期性破碎產生的車內空腔壓力脈動，最終避免Helmholtz空腔共振對人耳造成的不適[1-4]。

擋風網扭轉彈簧是一種彈性元件，可以控制擋風網機構彈起，其中儲存的能量可以抵抗高速風載，并可緩和玻璃板關閉時擋風網對玻璃板的沖擊，是維持擋風網功能的關鍵部件[5]。按照平均每天開關天窗2 個循環計算，15 000 循環的耐久要求可以保證用戶20 年的使用周期。擋風網扭轉彈簧的耐久性能對于維持天窗整體功能正常起到至關重要的作用。

為在優化擋風網扭轉彈簧疲勞耐久性的同時兼顧自身扭轉剛度，分析擋風網扭轉彈簧各結構參數對耐久性的影響以及扭轉彈簧扭轉剛度與疲勞耐久性能的關系，本文針對某車型天窗擋風網扭轉彈簧在耐久試驗中斷裂的問題，通過正交試驗分析關鍵結構參數對扭轉彈簧耐久疲勞斷裂的影響，總結各結構因素對耐久結果的影響趨勢，分析扭轉剛度與其疲勞耐久性的關系，提出擋風網扭轉彈簧疲勞耐久和自身扭轉剛度平衡優化改進方案并進行驗證。

2 問題描述

某車型天窗在全新開發階段，擋風網扭轉彈簧在開關耐久約7 500 循環時斷裂，擋風網結構及扭轉彈簧斷裂情況如圖1 所示，未能滿足開關耐久試驗15 000循環的要求。

圖1 擋風網結構及扭轉彈簧斷裂情況

該扭轉彈簧的材料為業內常用的優質彈簧不銹鋼X10CrNi18-8，經尺寸檢查和材料檢驗，滿足設計要求。

采用Merlin Compact 掃描電子顯微鏡對不銹鋼合金斷口進行了二次電子形貌分析：二次電子表面形貌檢測條件加速電壓（Extra High Tension，EHT）為10 kV，工作距離（Work Distance，WD）為7.6 mm，放大倍率分別為35倍和1 000倍。通過形貌分析可知：試樣出現典型的耐久疲勞斷裂，存在典型的裂紋起源區、擴展區和瞬斷區；斷口未觀察到明顯制造缺陷；疲勞裂紋起源于試樣表面，瞬斷區存在大量韌窩；斷口存在二次裂紋；因表面應力過大，扭轉彈簧疲勞斷裂。斷口形貌及裂紋如圖2所示。

圖2 斷口形貌及裂紋

3 扭轉彈簧疲勞斷裂問題分析

根據經驗，該扭轉彈簧材料已無優化余地，擬從提高疲勞耐久性的角度對該扭轉彈簧開展結構優化。

3.1 影響因素的確定

根據表1 中扭轉彈簧原始參數，結合3.3 節和4.2節中的結論，對扭轉彈簧疲勞耐久性影響顯著的2 個結構因素進行優化：增大扭轉彈簧內徑，增加螺旋圈數，提高疲勞耐久性能；增大線徑，提高擋風網扭轉彈簧扭轉剛度，改善擋風網風噪表現。優化后的扭轉彈簧結構參數如表5所示。

表1 扭轉彈簧優化前結構參數

圖3 扭轉彈簧結構參數

3.2 擋風網彈簧疲勞耐久正交試驗

考慮扭轉彈簧周邊件的安裝環境（樣件可制造性），以及常見扭轉彈簧原材料鋼絲的規格，研究試驗各因素水平范圍上、下限應覆蓋表1 中扭轉彈簧原始結構參數，設計如表2 所示的四因素三水平正交試驗表[6]。

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表2 四因素三水平正交試驗表

采用這9 組扭轉彈簧樣件制作擋風網總成依次安裝于同一款天窗框架上。為了減少加工誤差帶來的耐久結果誤差，對應每組扭轉彈簧制作了3套相同的天窗總成，共制作27 套天窗總成。在室溫條件下開展天窗擋風網耐久試驗，試驗臺架如圖4 所示。每組扭轉彈簧的3 套相同天窗依次標記為1 號、2 號、3 號，分別記錄每個擋風網在耐久試驗中單側扭轉彈簧首次斷裂時的循環次數，結果如表3所示。

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圖4 天窗耐久試驗臺架

3.3 扭轉彈簧結構因素對耐久性的影響

由圖6可知，在一定范圍內，針對同一耐久循環數，至少有2 個與之對應的扭轉剛度值。扭轉彈簧的耐久循環數與自身扭轉剛度并無一一對應關系，或者說無明顯關系。這與文獻[9]中的結論“初始剛度和疲勞壽命之間沒有關聯”是吻合的。顯然，存在一個合適的扭轉彈簧結構，使其可以具有合適的扭轉剛度，以張緊擋風網布，保證擋風網布風噪效果，同時滿足疲勞耐久性能要求。

表3 四因素三水平正交試驗結果 循環

圖5 正交試驗結果分析

根據文獻[8]，本文所述的擋風網扭轉彈簧的扭轉剛度計算公式為：

4 扭轉彈簧扭轉剛度分析

4.1 扭轉剛度

根據扭轉彈簧的扭轉剛度，結合表3 中9 組扭轉彈簧耐久平均循環數，可得9 組扭轉彈簧耐久循環數與自身扭轉剛度的關系曲線，如圖6所示。

由表3 和圖5 可知：扭轉彈簧內徑越大，螺旋圈數越多，線徑越細，扭轉彈簧的疲勞耐久性能越好；扭轉彈簧自由角度對疲勞耐久性基本無影響。計算圖5中各因素耐久平均值的極差與各因素極差之和的占比可得扭轉彈簧各結構因素對疲勞耐久性的影響程度，由大到小依次為：內徑46.5%，螺旋圈數27.0%，線徑24.7%，自由角度1.8%。

式中，T′為扭轉剛度；E為彈簧鋼絲的彈性模量，本文取185 000 MPa；d為鋼絲直徑；D1為彈簧中徑；n為彈簧有效圈數；l1、l2分別為扭轉彈簧2 個扭臂的長度。

4.2 扭轉剛度與疲勞耐久性的關系

取9 組扭轉彈簧扭臂長度l1、l2，根據表2 中的數據利用式（1）計算扭轉剛度，如表4所示。

表4 9組扭轉彈簧扭臂長度及扭轉剛度計算結果

3.2 節中第7 組扭轉彈簧已滿足耐久性優化目標，但實車路試時發現擋風網風噪情況變差。分析可知：扭轉彈簧扭轉剛度決定了擋風網布的張緊程度，如采用扭轉剛度不合適的擋風網扭轉彈簧，網布將無法張緊。車輛高速行駛工況下天窗開啟時，會在網布處產生轟鳴聲，惡化擋風網風噪效果。為了確定扭轉彈簧耐久性優化時是否會對扭轉剛度產生影響，需分析扭轉彈簧扭轉剛度與疲勞耐久性的關系。目前二者之間的關系鮮有結論可依。

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圖6 9組扭轉彈簧耐久循環數與自身剛度的關系曲線

根據文獻[6]～文獻[7]，對表3的正交試驗結果進行分析，針對單個因素的某一水平，將該水平的耐久試驗平均值相加并除以該水平重復出現的次數，即可得到各因素相應水平耐久結果平均值，如圖5所示。由圖5 可知，扭轉彈簧的4 個結構因素對耐久結果影響顯著程度從大到小排序依次為：內徑A、螺旋圈數C、線徑B、自由角度D。

1.ECM對這類(外部供電，搭鐵控制)電磁閥執行器進行電路診斷是很全面和準確的，既有執行器供電電路的診斷，也有執行器電阻的診斷，也就是(執行器或電路)開路診斷和(執行器)短路診斷。如果對執行器短路不能診斷，往往會因為電流過大，熔絲熔斷，引起共用該電源(熔絲)的其它裝置失效，或者造成線路或ECM的損壞，甚至更大的損壞。所以，具備短路診斷功能的控制模塊，當診斷出電路短路(電阻過小)而設置故障碼時，將不再進行輸出控制。

2.1.4 鼻胃鏡通過消化道狹窄病變后的新發病變檢出情況 31例食管癌患者中有2例發現胃體賁門癌，1例發現食管下段有癌性病灶；在14例食管術后吻合口狹窄患者中，利用超細鼻胃鏡發現1例患者出現吻合口瘺。4例直腸癌和2例結腸術后吻合口狹窄者中，各有1例在狹窄遠端發現息肉，12例直腸術后吻合口狹窄者中，2例發現吻合口遠端息肉，1例發現遠端有潰瘍性結腸炎。在鏡身可通過食管、胃十二指腸、結直腸狹窄的病例中，利用超細鼻胃鏡對狹窄下方新病變的檢出率分別為8.89%(4/45)、0(0/6)、27.78%(5/18)(表5)。

5 改進方案

針對該扭轉彈簧，提取出可能對疲勞耐久性有影響的結構參數內徑A、線徑B、螺旋圈數C和自由角度D，其位置示意和優化前結構參數分別如圖3和表1所示。

參芪扶正注射液聯合化療治療結直腸癌的Meta分析…………………………………………………… 吳健瑜等（2）：248

表5 扭轉彈簧優化后結構參數

優化后的扭轉彈簧由于螺旋圈數增多，線徑增大，無法與原天窗周邊件匹配，但仍可為其制作天窗框架的手工樣件，以精確了解扭轉彈簧優化前、后網布張緊力的區別。按照表1 和表5 分別制作扭轉彈簧樣件，優化前、后的扭轉彈簧各制作2套擋風網分總成，安裝于天窗框架上，在萬能拉伸試驗機上測試擋風網完全彈起時的下壓力，試驗裝置如圖7 所示，測試結果如表6 所示。由表6 可知，優化后的扭轉彈簧下壓力增大，網布張緊度提高，有助于改善擋風網風噪。

表6 優化前、后扭轉彈簧下壓力結果 N

圖7 扭轉彈簧下壓力測試裝置

經天窗總成臺架耐久試驗驗證，優化后的擋風網扭轉彈簧滿足15 000 循環耐久要求，改進方案有效。

6 結束語

本文通過正交試驗分析了天窗擋風網扭轉彈簧各結構參數對扭轉彈簧疲勞耐久性的影響，并判斷了各因素對疲勞耐久性影響程度大小，分析了扭轉彈簧剛度與疲勞耐久性的關系，得出以下結論：

a. 擋風網扭轉彈簧結構因素對疲勞耐久性影響程度從大到小排序依次為內徑、螺旋圈數、線徑和自由角度，扭轉彈簧內徑對疲勞耐久性的影響程度最大，約占46.5%，自由角度對疲勞耐久性幾乎無影響。

采用SPSS 21.0軟件對數據進行分析處理，自我效能及生存質量評分為計量資料，以（均數±標準差）表示，采用t檢驗；計數資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

b. 扭轉彈簧扭轉剛度與疲勞耐久性無明顯關系，即存在一個合適的扭轉彈簧結構，使其具有合適的扭轉剛度又滿足疲勞耐久性要求。