钢板弹簧疲劳开裂问题分析与优化

董志鸿 刘虎 刘雪峰 龚玫琳

摘要：某轻卡在四立柱振动台架上进行整车道路耐久模拟试验，在试验过程中出现后悬架副板簧疲劳开裂的问题，通过CAE方法对板簧总成进行非线性仿真分析，针对板簧薄弱区域进行优化改进。然后基于板簧总成等幅疲劳损伤与变幅疲劳损伤当量关系，对板簧疲劳仿真模型采用等幅循环加载，计算优化后的板簧总成与原板簧总成相对疲劳寿命比值，确保优化后的板簧能够满足整车四立柱台架耐久目标要求。最后将优化后的板簧总成搭载在整车上进行四立柱台架验证，满足了耐久目标要求。

关键词：钢板弹簧;疲劳开裂;分析和优化;整车四立柱道路模拟;损伤当量关系

中图分类号：U463.33收稿日期：2022—01—24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.019

1 前言

随着汽车行业竞争日益激烈，汽车产品的可靠性和耐久性直接影响到厂家的整体销量和企业形象，为提升产品的耐久性能，深入研究车辆结构疲劳耐久性能的仿真、试验及优化技术已迫在眉睫。

以某轻卡板簧总成为研究对象，该板簧总成搭载在试验车上进行整车四立柱台架耐久试验，如图1所示。

針对试验过程中的板簧开裂问题进行分析，如图2所示。结合试验数据及仿真手段，对板簧总成进行结构优化，通过相对疲劳寿命计算，使优化后的板簧满足耐久目标要求。

2钢板弹簧耐久试验目标换算

2.1板簧应变信号采集

根据轻卡耐久试验规范，试验车在襄阳试车场按照不同的装载工况在耐久路面上行驶，一个循环的耐久路面长度为12.5km，由比利时路、长波路、扭曲路等路面路按照一定比例组合而成。襄阳试车场和试验车后板簧副簧应变粘贴位置示意图如图3所示。

2.2板簧耐久目标换算

对于轻卡整车耐久性目标要求为整车需要满足2万km耐久试验。试验分不同的装载工况，对各装载工况采集到的板簧应变进行伪损伤分析，比利时路面对板簧产生的损伤占比高达90%左右，见表1。其中空载和半载的副板簧由于未起到承载作用，因此空载和半载工况副板簧损伤为零。根据损伤等效原则，副板簧在整车超载工况比利时路面运行2 053 km可等效于耐久规范要求的整车试车场耐久路面2万km。一个试验循环里程是12.5km，其中包含3.33km比利时路面运行距离计算如下：

3整车四立柱道路模拟台架试验

将试验场采集到的轴头加速度和减震器位移信号作为四立柱振动台的迭代目标信号进行台架迭代，复现超载工况比利时路面的耐久试验，整车四立柱台架迭代过程图如图4所示。

当试验进行到1 357 km时左后悬架副板簧出现疲劳开裂，更换新的板簧总成后继续进行台架试验，右后悬架副板簧在1 495 km时也出现开裂，且位置相同，副板簧开裂如图2所示。根据随机振动理论可知，后悬架左右两侧板簧总成受到的路面激励载荷相同，综上可知后悬架副板簧的疲劳中值寿命为1 426 km，按照损伤等效原则，板簧在整车超载工况比利时路面需满足2 053 km耐久试验目标要求，因此，需要对后悬架副板簧结构薄弱区域进行优化，提升板簧疲劳寿命，使其满足耐久目标要求。

4板簧总成疲劳寿命分析及优化4.1后悬架板簧总成有限元模型

建立后悬架板簧总成有限元模型，板簧片采用六面体网格划分，网格基本尺寸为5mm，如图5所示，板簧总成的仿真模型模拟实际结构运动关系。其中车架纵梁上的两个限位支架与副簧上表面建立接触，两个限位支架约束自由度123456;主簧前卷耳中心约束自由度12346，放开绕Y轴旋转，主簧后卷耳中心与吊耳摆臂上端中心孔之间建立旋转运动副;摆臂下端中心孔约束自由度12346，放开绕Y轴旋转，两根U型螺栓的预紧力通过在Beam梁单元上施加PRETENSION预紧力来实现;最后在板簧座上施加超载工况对应的载荷43 200 N（考虑2倍冲击系数），计算板簧静总成强度结果。仿真模型中设置了接触非线性和几何非线性，板簧片之间的摩擦因数设置为0.15。

4.2 等幅载荷与变幅载荷当量关系

后悬架板簧总成在比利时路面工况受到的载荷为变幅载荷，路面载荷对板簧的作用方向主要为Z向，对板簧总成施加Z向等幅正弦变化的载荷，测量副板簧同一位置的应变信号，如图6所示。根据疲劳损伤等效原则，板簧Z向施加循环载荷0～43 200 N，循环加载4万次产生的疲劳损伤等效于整车超载工况比利时路面行驶2 053 km产生的疲劳损伤，由于疲劳损伤是基于线性累加原则计算得到，因此等幅载荷循环加载2.778万次产生的疲劳损伤等效于整车超载工况比利时路面行驶1 426 km产生的疲劳损伤。

4.3 板簧总成等幅加载仿真寿命

根据后悬架副簧的受力特征可知，当副簧与限位支架接触时，副簧受到载荷作用，当副簧与限位支架脱离时，副簧受力为零。对后悬架板簧总成有限元模型板簧座处施加幅值为0～43200N的脉冲循环载荷，如图7所示。

将板簧总成应力结果导入疲劳软件中，疲劳加载类型选择Constant Amplitude，Max factor选择1，Min factor选择0。板簧材料为60Si2Mn，采用材料库里自带的SN曲线，通过修正SN曲线斜率，使板簧总成的疲劳循环次数为2.778万次，图8为板簧仿真计算的疲劳危险点及疲劳失效循环次数，仿真疲劳危险点位于第二片副簧压板附近（节点号13828），此位置与副簧实车试验开裂位置相同。副簧开裂寿命为2.778万次循环，等效于整车超载比利时路面行驶1426km。

由于副簧在整车四立柱台架试验中的开裂里程为1 426km，要达到2 053km的耐久目标要求，优化方案的副簧疲劳寿命至少需要提高到原副簧疲劳寿命的1.439倍以上，即优化方案的板簧疲劳仿真寿命需从2.778万次提高到4万次以上。

4.4板簧优化方案疲劳分析

由板簧总成疲劳寿命云图可知，副簧中部区域的疲劳寿命明显低于目标值，优化方案将副簧的两片板簧片厚度增厚3mm。将优化方案的副簧重新划分网格，通过疲劳仿真计算得到优化方案的副簧疲劳仿真寿命提高到7.191万次，高于目标值4万次，如图9所示。

优化方案的副簧疲劳寿命满足耐久目标要求。最后将优化后的板簧总成搭载在整车上进行整车四立柱台架试验，副板簧在整车四立柱台架上模拟超载工况比利时路面振动2053km未出现副簧断裂现象，满足耐久目标要求。

5 结语

对各装载工况采集的板簧应变进行伪损伤分析，根据损伤等效原则，副板簧在整车超载工况比利时路面振动2 053 km等效于耐久规范要求的整车试车场完成耐久路面2万km的目标。

将试验场采集到的轴头加速度和减震器位移信号作为四立柱振动台的迭代目标信号进行台架迭代，复现超载工况比利时路面的耐久试验。在整车四立柱台架试验中，后悬架副簧出现疲劳开裂，因此板簧结构需要优化加强，提高疲劳寿命。

建立板簧总成有限元模型，模型考虑U型螺栓预紧力、接触非线性、几何非线性。基于板簧总成等幅疲劳损伤与变幅疲劳损伤当量关系，对板簧疲劳仿真模型采用等幅循环加载，对疲劳仿真的薄弱区域进行优化。

计算优化后的板簧总成与原板簧总成相对疲劳寿命比值，确保优化后的板簧疲劳寿命能够满足耐久试验目标要求。最后将优化后的板簧总成搭载在整车上进行四立柱台架验证，满足耐久目标要求。

参考文献：

[1]吴建国，周鋐，陈栋华，等.目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效研究[J].汽车技术，2007（7）：21—24.

[2]胡志强.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社，1996.

[3]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2018.

作者简介：

董志鸿，男，1984年生，主管工程师，研究方向为疲劳耐久CAE仿真与试验。