汽车钢板弹簧台架试验与疲劳分析

杨志刚，张绍国

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

汽车钢板弹簧台架试验与疲劳分析

杨志刚，张绍国

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

基于损伤等效原则，用台架试验方法分析和预测钢板弹簧在试验场的疲劳寿命。首先通过台架试验建立钢板弹簧的应力寿命S-N曲线，在试验场载荷谱数据采集的基础上，分析钢板弹簧台架试验次数与整车试验里程之间的当量关系，预测钢板弹簧是否满足整车使用条件，并在试验场进行整车道路试验验证。试验结果表明采用零部件S-N曲线和载荷谱结合方法，能够通过台架试验较准确预测钢板弹簧在试验场的使用寿命。

钢板弹簧；疲劳寿命；载荷谱；S-N曲线

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-104-04

前言

试验是保证零部件质量进而保证整车质量的重要手段，也是确保产品质量的有效途径，台架试验能否反映与道路试验一样的失效模式，是评价试验方法正确与否的关键因素。随着我国汽车工业的高速发展，各个汽车企业都在逐步建立并完善自身的设计和开发机制，可靠的试验手段则是其中一个关键的环节。室内台架试验由于试验重复性好、试验周期短，已经成为在汽车设计开发中的主要手段。利用利用损伤等效原则，将零部件在试验场和试验台的载荷进行当量换算，能在相对短的时间内完成结构件的疲劳寿命评估。

钢板弹簧作为商用车主流配置之一，60%以上的板簧工作应力超过700 MPa，80%以上板簧工作的极限应力处于1000 MPa 以上。板簧材料可承受高工作应力，意味着可节省更多的材料，实现产品轻量化【1】。钢板弹簧在使用的过程中由于频繁承受路面不平引起的冲击和振动，容易发生结构断裂失效【2-4】。在钢板弹簧轻量化设计及台架试验中，疲劳寿命试验是最重要的测试项目，在这种试验中，关键问题就是要确认台架试验能否真实反映与实际路面相同的失效模式。本文基于钢板弹簧道路载荷的使用情况，建立了一套钢板弹簧台架耐久试验方法及评价体系，通过早期台架试验评判钢板弹簧的耐久寿命是否达到道路试验里程的设计要求，避免道路试验成本高、周期长的不良影响，加快新产品的开发进度。

1、道路数据标定

所有有价值的测试都是以对车辆实际运行载荷的理解为基础。载荷采集主要有传感器及应变片布置、静态标定、数据采集及分析三个步骤组成：

1.1 测点位置

在CAE分析基础上，选取钢板弹簧上8个位置作为数据采集点，如图1所示。

1.2 静态标定

静态标定确定在车辆静止状态下，车辆的簧上质量对钢板弹簧各个测点施加的垂向载荷大小，该载荷作为最终台架试验预载输入。该项工作的目的在于了解板簧实际测试时所受的簧上静载。静态标定过程如下：

（1）安装传感器，检查传感器信号线；

（2）用千斤顶在车架位置施加载荷，使车轮悬空，静止稳定后所有传感器清零；

（3）将车轮缓慢放下，等待车辆状态完全稳定后记录此时钢板弹簧的应变值。

如此反复测试三次，记录平均值，8个测点位置应变如表1所示。

表1 钢板弹簧静态标定应变数据

1.3 数据采集

该试验车的道路载荷谱采集，在试车场综合路进行，包括：石块路、跳动路，颠簸路，长波路，短波路，鹅卵石路，扭曲路，鱼鳞坑路，大搓板路，比利时甲一，比利时乙及各种过渡路面，单圈里程6.4km。

本次试验车为标载牵引车，在试验场完成三次试验数据采集，以保证试验数据的一致性。试验数据经过滤波、去毛刺等处理，钢板弹簧8个测点位置的时域信号如图2所示：

2、台架试验与S-N曲线

2.1 台架试验

疲劳破坏是在动态载荷多次作用下局部损伤积累的结果。根据图2的时域动态应变，以测点1为基准，对8个测点以无量纲形式进行相对损伤归一化，如图3所示。图3表明：在三次测试中，测点 3为整架钢板弹簧中疲劳损伤最大的位置，即最易出现疲劳断裂，应作为疲劳试验的重要考核点，测点5的相对损伤最小。

在台架上对测点3进行数据标定，得到钢板弹簧应变-载荷的关系曲线，如图4所示。根据图4中的标定曲线，结合表1中测点3位置静态标定数据，计算得到钢板弹簧承受静态簧上质量为24.4kN。

在钢板弹簧台架试验设备上，先施加24.4kN预载荷，然后分别选取应力范围为 628.5MPa和 546MPa两种恒幅正弦波，各三架钢板弹簧进行等应力台架疲劳试验，如图5所示。

在台架试验过程中，记录每架钢板弹簧试验过程中发生的断裂次数，试验结果如表2所示。

表2 钢板弹簧台架试验寿命

2.2 钢板弹簧S-N曲线

结构件S-N曲线是通过对样件施加不同量级的等幅循环载荷直至样件发生断裂，获得不同的载荷量级所对应的失效次数【5】。高周疲劳试验S-N曲线一般采用成组法，选定4到5个应力级别，每个级别大于6个样品，最后在双对数坐标系下绘制曲线。材料经过加工和热处理以后，由于几何形状改变以及加工缺陷等原因，造成材料S-N曲线和零部件S-N曲线有较大差异【6】，通过台架试验对零部件进行疲劳试验，可以获得零部件疲劳寿命S-N曲线，能够极大提高零部件寿命预测的准确性。

钢板弹簧采用 50CrV4合金钢材料，抗拉强度 σb (MPa)：≥1274，屈服强度 σs (MPa)：≥1127。根据表 2中的测试结果，在95%置信区间水平下，绘制10%和50%高、低应力失效概率图，如图6所示。图6中左图表明在682.5MPa高应力范围水平下，在台架试验过程中 50183次循环发生破坏的概率为10%，99639次循环发生破坏的概率为50%。图6中右图表明在546MPa低应力范围下，钢板弹簧在台架试验过程中 141230次循环发生破坏的概率为10%，192589次循环不发生破坏的概率为50%。

S-N曲线的意义在于从宏观上建立了应力水平与失效次数的对应关系，而不涉及微观的疲劳机理。正因为如此，S-N曲线为宏观统计的疲劳定寿方法提供了衡量标尺。S-N曲线双对数形式如公式（1）所示，公式中S与N为双对数线性关系【7】。

式中：S为应力幅值，N为样件失效循环次数， C为材料常数，m经过推导可由公式（2）计算得到。

根据图6中钢板弹簧高、低应力失效数据，可以绘制钢板弹簧10%和50%失效概率图S-N曲线，如图7。国标“GB/T 19844-2005”钢板弹簧疲劳试验方法，要求在应力范围 647.2MPa恒幅正弦波加载条件下，钢板弹簧疲劳寿命不小于80000次，从图7中S-N曲线可以预测按照该试验方法，钢板弹簧在 65000次发生断裂概率为 10%，在120000次发生断裂概率为50%，如果定义零部件合格率为90%，则该批钢板弹簧不满足国标台架试验疲劳寿命80000次的试验要求。

3、钢板弹簧寿命预测

基于钢板弹簧的载荷谱数据和零部件S-N曲线，能够在nCode软件通过雨流计数法对钢板弹簧的道路使用寿命进行预测。

3.1 道路试验寿命预估

雨流计数法将载荷-时间历程中载荷的幅值分为若干水平，通过载荷、反向点、变程三个主要参数对随机载荷谱进行统计，通过损伤累计方法计算出钢板弹簧在道路试验过程中损伤值大小【8】。图8为测点3位置雨流计数结果，该图统计共有7834个循环，反向点15670个，最大应力范围Range 768.68MPa，中值Mean 384.34 MPa，该循环损伤3.466e-5，在整个雨流计数中发生一次。

根据图2载荷谱，按照90%的存活率要求，即图7中N10S-N曲线，对钢板弹簧8个测点进行寿命评估，计算结果如表3所示。表3中测点3的寿命为6763.5 km，测点2为7484.2km，测点7为9410.5km，上述三个位置均达不到钢板弹簧整车搭载试验为12000km试验里程要求。

表3 各测点损伤及寿命

选用同样的钢板弹簧在定远试验场进行整车耐久试验，该钢板弹簧在行驶7615km发生了断裂，如图9所示，断裂位置为中心螺栓左侧 380mm附近，与测点3位置非常接近，表明本文采用钢板弹簧疲劳预测方法有很高的准确性。

3.2 台架与道路试验当量换算

国标“GB/T 19844-2005”钢板弹簧疲劳试验方法，在应力范围647.2MPa恒幅正弦波加载条件下，根据图7可以预测钢板弹簧65000次发生断裂概率，根据Miner线性损伤准则计算公式（3）【9】，可以得到台架试验恒幅值正弦波损伤Db为1.54E-05。

式中：k为循环失效次数；

表3中测点3损伤值为9.46E-04，按照损伤当量换算原则，按照公式（4）计算得到道路和台架试验换算系数α：

式中：Dr为测点在综合路单圈的损伤；

公式（4）表明钢板弹簧在应力范围647.2MPa恒幅正弦波加载条件下进行台架试验，61.26个循环与试验场综合路单圈6.4km里程损伤当量相当，钢板弹簧如果要满足试验场整车耐久设计里程12000km的要求，即1875个循环，则台架试验需要保证114862.5次不发生断裂。

4、结论

基于零部件S-N曲线和载荷谱，建立钢板弹簧台架与道路关联的疲劳试验预测方法，能够准确预测钢板弹簧的使用寿命，使台架试验充分反映道路试验的使用情况，用较短时间和成本实现对钢板弹簧寿命的早期评估，指导产品的轻量化设计与质量改进，提高整车可靠性。

[1] 罗志龙. 汽车钢板弹簧产品技术发展趋势研究[J] . 汽车科技, 2012, 4(7): 9-11.

[2] 张炜，杨冬，李润哲，高伟．50CrVA钢的工艺优化及其在钢板弹簧产品中的应用[J]．汽车技术，2012，(1)：56-60．

[3] 何彬.汽车钢板弹簧主片结构的组合优化设计方法研究[J].机械设计与制造，2012,12(12)：131-133.

[4] 王明明，鹿云，张炜，杨福平. 矿用自卸车钢板弹簧失效分析及工艺改进[J] . 汽车工艺与材料, 2014, (5): 45-48.

[5] 张然治.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京：国防工业出版社，2011，79-80．

[6] 刘彦臣，庞思勤，王西彬，解丽静. 表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究[J] .兵工学报，2013，34(6): 760-764．

[7] 赵礼辉，郑松林，冯金芝. 基于低载强化特性的疲劳寿命估计方法[J].机械工程学报，2013，49(8)：115-121．

[8] 高镇同，熊峻江. 疲劳可靠性[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2000，333-338．

[9] 米承继，谷正气，伍文广等. 随机载荷下矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分析[J]. 机械工程学报，2012，48(12)：103-109．

Bench Test and Fatigue Analysis on Leaf Spring of Heavy TrucK

Yang Zhigang, Zhang Shaoguo
(Shaanxi Heavy Duty Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200)

Based on equal damage principle, the fatigue life of leaf spring in proving ground was predicted by bench test method. First the fatigue life S-N curve of leaf spring was built by bench test. Combined with load spectrum acquisition in proving ground , the leaf spring equivalent relation between durability cycles by bench test and road running kilometers was determined. Then the using feasibility of leaf spring in proving ground was evaluated, and the leaf spring road verification test was completed in proving ground. The result shows that the proving ground fatigue life of leaf spring can be calculated in bench test with component S-N curve and load spectrum.

leaf spring; fatigue life; loading spectrum; S-N curve

U467.3

A

1671-7988(2015)05-104-04

杨志刚，高级工程师，研究方向：整车开发与设计。

国家863计划项目2012AA111106。