基于DFSS的扭杆弹簧分析及优化设计

王文水，田峰,王月华

(1.通用汽车中国投资有限公司中国工程部，上海 200000；2.一汽通用轻型商用汽车有限公司工程研发部，吉林长春 130000)

基于DFSS的扭杆弹簧分析及优化设计

王文水1，田峰2,王月华2

(1.通用汽车中国投资有限公司中国工程部，上海 200000；2.一汽通用轻型商用汽车有限公司工程研发部，吉林长春 130000)

针对某车型扭杆弹簧的原设计方案，运用DFSS流程，在建立CAE有限元模型的基础上，综合分析影响扭杆性能的多种因素，提出了18种备选的改善方案并从中找出最优的设计方案。仿真和实验结果都表明：优化后的设计方案不仅消除了原设计方案的断裂风险，还提高了扭杆5%以上的使用寿命，减少了10%的质量；同时也证明了DFSS在汽车零部件质量改善领域的实用性。

扭杆弹簧；DFSS；CAE；优化设计

Abstract:Based on a original design for the torsion bar spring, using the process of DFSS, the CAE finite element model was set up, the factors which affected the torsion bar spring’s function were analyzed comprehensively, eighteen alternative design schemes were proposed, and then the best design scheme was found out from all. Both the simulation results and the road test results prove the optimized design scheme not only eliminates the risk of crack,but also improves the torsion bar spring’s life time more than 5%, declines 10% weight. Moreover, it proves the DFSS’s usefulness in the field of vehicle parts quality improvement.

Keywords:Torsion bar spring; DFSS; CAE; Optimization

0 前言

扭杆弹簧是一种利用扭杆的扭转变形起作用的弹性元件，已经广泛应用在轻型汽车、轿车、越野汽车的悬架系统[1]。采用扭杆弹簧的悬架具有质量轻、结构简单、占用空间小等优点。决定扭杆弹簧性能的参数主要有材质、外形尺寸、热处理工艺等。从材质上来讲，一般采用弹簧钢进行加工，常用来制造扭杆弹簧的材质有60Si2Mn、40Cr、42CrMo等材料；从外形尺寸上来讲，杆身长度、杆身直径是其设计的主要考虑参数；从热处理角度来讲，常用的热处理方式为整体淬火和感应淬火等。不同材质搭配不同直径及热处理方法制作成的扭杆性能各不相同。当发生质量问题时，往往是多种因素造成的，如果仅在生产过程中改变一种因素，很难做到真正地解决问题。因此，有必要采用合适方法对扭杆弹簧从设计方案的层面进行分析及优化。

DFSS(Design For Six Sigma)意为六西格玛设计。六西格玛是一套系统的、集成的业务改进方法体系，它通过系统地、集成地采用业务改进流程，实现无缺陷的过程设计[2]。常用的DFSS流程分为识别(Identify)、定义(Define)、展开(Develop)、优化(Optimize)、验证(Verify)[3]。文中采用DFSS方法，以某型号卡车扭杆弹簧的设计方案为例，对扭杆弹簧进行分析和优化。实验室及道路试验结果表明：优化后的设计方案有效避免了扭杆弹簧断裂的风险，且整体质量减少了约10%。

1 原设计方案的安全风险分析

应用在某型号卡车的扭杆弹簧，原始设计方案的主要参数如表1所示。

表1 扭杆弹簧原设计方案主要参数

其结构如图1所示，分为调节臂、轴套、扭杆、摇臂几个部分；同时，为了防止扭杆在运输过程中从轴套及摇臂中掉落，在扭杆前后各追加了一个固定螺栓。

根据上述设计参数建立有限元模型，用CAE软件分析发现：由于5、6两个固定螺栓的存在，使扭杆在扭转时不仅受到剪应力，还受到了螺栓带来的垂直于轴向的压应力，导致扭杆转动时应力集中，具体集中的程度依据螺栓紧固的程度不同而定(如图2所示)。另外，原设计中扭杆采用的热处理方法是整体淬火，由于扭杆花键端不能进行热处理，所以如果采用这种淬火方式，容易在杆身与花键的过渡处因淬火应力过大而造成裂痕。扭杆弹簧对这种裂痕十分敏感，350 μm深的裂痕会使裂痕周围应力增加约75%，在扭转时会在裂痕处形成应力集中，最终造成疲劳性破坏。图3即为扭杆弹簧因淬火裂痕导致断裂的实例。因此，可以判定该扭杆弹簧的原设计方案存在安全风险，容易因应力集中而出现疲劳性断裂的问题。

上述对于扭杆弹簧安全风险的分析，亦是DFSS的问题点识别过程。

2 改善方案的提出

从表面上看，造成扭杆弹簧质量风险的因素主要是固定螺栓和淬火方式，但实际上影响扭杆弹簧整体耐久性的因素还包括材质、外型尺寸等，如果仅仅是“头痛医头”地改变扭杆构造或淬火方式，很难达到最优化设计的目的，因此有必要对上述各因素进行系统的分析。DFSS流程中运用图4所示的方式表达各因素之间的关系。

图4中，控制因素即为影响扭杆性能的主要量化性可控因素。为了消除扭杆质量风险，可从如下几个方面改进：

(1)对于扭杆结构中的固定螺栓，可以将扭杆弹簧的装配工艺由原有的供应商组装后以总成形式运输到汽车制造厂，改为以散件的形式运输到汽车制造厂后再装配成总成，这样就无需考虑运输过程中的扭杆脱落问题，从而在结构上直接取消固定螺栓。

(2)对于热处理方式，可以选择感应淬火作为备选方案，不过由于不同的淬火方式对于金属材质也有不同的要求，因此在确定淬火方式的同时，也有必要重新考虑扭杆弹簧的材质及外形尺寸。参考扭杆弹簧常用材质及常见规格，确定各参数备选方案，如表2所示。

表2 扭杆弹簧备选设计方案表

像这种依据客户及质量的要求，转化为对于工艺的要求，提出设计方案的过程，便是DFSS的定义过程。

3 改善方案的分析及优化

根据表2，可以看出3种设计参数的任意一种组合都可以成为一种设计方案，一共有18种设计方案。如果对这18种方案都进行试制验证，必然浪费较多的时间和成本，因此有必要在试制之前对各种方案进行分析和筛选，选择最优化的方案进行试制验证。

从扭杆弹簧的淬火质量角度来讲，淬火的目的就是为了提高金属材质的力学性能。扭杆扭转时承受的剪应力主要集中在表面，因此需要较高强度的表面硬度，而为了更好地吸收载荷，又需要较小芯部硬度来提高其柔韧性。感应淬火又称表面硬化热处理，这种淬火方式可以使扭杆表面硬度较高(大于HRC 50)、内部硬度较低(小于HRC 40)，且淬火变形小，能提高扭杆弹簧的表面质量[4]，不易形成裂痕，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性都有很大提高[5]，因此该扭杆弹簧更适宜使用此种热处理方法。

在变形量方面，采用CAE软件进行分析。首先建立有限元模型如图5所示，该模型的相关参数如表3所示。

单元类型网格划分方法节点数量SOLID186/SURF154SWEEP21027

在不考虑淬火的情况下，就9种扭杆模型加载相同的850 MPa应力，得到扭转变形量如表4所示。

表4 扭杆弹簧扭转变形量

根据表4可知：在施加相同应力的情况下，40Cr材质、25.5 mm直径的扭杆弹簧变形量最小，其次是同材质的24 mm扭杆。容易推得，变形量越小，弹簧显得越硬。对于车辆来讲，扭杆弹簧越硬，驾驶员舒适性越不好，但是相应地可以防止车辆制动时出现“点头”现象，对安全性和操作性有益。由于该扭杆应用于载重型卡车上，安全性及操作性的要求要优于舒适性的要求，况且驾驶舒适性可以选用质量较好的座椅来弥补，因此该扭杆更适合选用变形量较小的设计方案。

从使用寿命角度来讲，将上述有限元模型导入CAE寿命分析模块中，得到表5所示的寿命结果。值得注意的是，此次耐久性分析限于CAE软件的功能，无法考虑扭杆弹簧的热处理状态，因此计算结果要小于实际寿命，但各种扭杆使用寿命长短的趋势是可以参考的。

表5 扭杆弹簧扭CAE耐久性分析结果

从表5可知：扭杆弹簧的耐久性并不是严格地按照直径的增加而单调变化，而是先增加、后减小。25.5 mm直径耐久性低于24 mm直径耐久性，是由于直径越大、扭杆截面承受高应力的面积越大，从而耐久性越差；24 mm直径耐久性高于22 mm耐久性，是由于扭杆端部存在一个杆身直径到花键直径的过渡区，直径越小，过渡区的直径差越大，从而耐久性越差。因此扭杆弹簧的直径值与耐久性的关系存在一个最优值。此次分析中，40Cr材质、24 mm直径的耐久性趋势最好，可作为优先选择方案，且此种方案在扭杆扭转到最大角度43°时的最大应力为811 MPa，满足安全使用的要求。CAE分析结果如图6所示。

综合热处理、扭转变形量、使用寿命等几个因素的分析结果，最终选定40Cr材质、24 mm直径、感应淬火这种扭杆弹簧作为设计方案的最终优化结果并进行试制验证。

优化后的设计方案和原设计方案相比有如下优势：

(1)新设计方案在同等应力下变形量减小0.32°，使用寿命延长5%以上；

(2)新设计方案淬火后的表面质量更好，抵御断裂风险的能力大大提高。

(3)新方案由于材质、外形尺寸的变更，整体质量由原设计的3.7 kg减少为3.3 kg，减少幅度约为10%，实现了轻量化，降低了整车油耗。

上述对各种设计方案进行了多角度的综合分析并选择最优方案的过程即是DFSS的展开及优化过程。

4 试制验证

基于最优设计方案，试制若干扭杆弹簧并对其进行盐雾试验、耐久性实现、道路试验，结果显示能够满足该车型的使用要求。主要试验结果如表6所示。

表6 扭杆弹簧实验结果

5 结论

综上所述，得到如下结论：

(1)以DFSS流程为分析方法，详细研究了直径、材质、热处理方式等因素对于扭杆弹簧的性能影响，最终从18种备选设计方案中选定40Cr材质、24 mm直径、感应淬火这种扭杆弹簧作为最优选案。该方案有效消除了原设计方案的质量风险，使扭杆弹簧在使用安全性和使用耐久性上提升5%以上，降低了扭杆断裂的概率，整体质量减轻约10%。

(2)扭杆弹簧的耐久性和直径及材质有关，但并不是严格地按照直径的增加而单调变化，而是存在一个最优值。

(3)DFSS作为一种从最初设计中查找问题原因的方法，相比于其他仅从生产过程中寻求改善的方法来讲，能够真正地从根本上找到问题发生的原因，提升产品的质量。

(4) DFSS流程能够使分析人员在分析多种因素并存的复杂问题时，有效地找到最优方案，节省分析的时间，降低验证的成本。

【1】 孙为群，何凤鸣.汽车扭杆弹簧的设计与制造[J].汽车科技,2002(2):23-25.

【2】 马林，何祯.六西格玛管理[M].北京:中国人民大学出版社,2007:13-15.

【3】 朱正礼,杜建福,兰志波.DFSS在新能源汽车电子产品开发中的应用[J].机械设计与制造,2012(2):253-255.

【4】 BELLIATO Yannick,VOISIN Jean Dominique,VUILLEMARD Frédéric.Alternative Manufacturing Technology of Torsion Bars with Hexagonal Ends for Front Suspension of Trucks[R].SAE Technical Paper Series,1999.

【5】 周海，曾少鹏,袁石根.感应加热淬火技术的发展及应用[J].热处理技术与装备,2008(6):9-15.

AnalysisandOptimizationforTorsionBarSpringBasedonDFSS

WANG Wenshui1,TIAN Feng2, WANG Yuehua2

(1.GM China PE Department, Shanghai 200000,China;2.R & D Department,FAWGM Company, Changchun Jilin 130000,China)

2014-04-09

王文水，硕士研究生，工程师，主要研究方向为汽车底盘设计。E-mail:kevin.w.wang@gm.com。