基于DFSS的扭桿彈簧分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王文水，田峰,王月華

(1.通用汽車(chē)中國(guó)投資有限公司中國(guó)工程部，上海 200000；2.一汽通用輕型商用汽車(chē)有限公司工程研發(fā)部，吉林長(zhǎng)春 130000)

基于DFSS的扭桿彈簧分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王文水1，田峰2,王月華2

(1.通用汽車(chē)中國(guó)投資有限公司中國(guó)工程部，上海 200000；2.一汽通用輕型商用汽車(chē)有限公司工程研發(fā)部，吉林長(zhǎng)春 130000)

針對(duì)某車(chē)型扭桿彈簧的原設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用DFSS流程，在建立CAE有限元模型的基礎(chǔ)上，綜合分析影響扭桿性能的多種因素，提出了18種備選的改善方案并從中找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案不僅消除了原設(shè)計(jì)方案的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，還提高了扭桿5%以上的使用壽命，減少了10%的質(zhì)量；同時(shí)也證明了DFSS在汽車(chē)零部件質(zhì)量改善領(lǐng)域的實(shí)用性。

扭桿彈簧；DFSS；CAE；優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

扭桿彈簧是一種利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形起作用的彈性元件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在輕型汽車(chē)、轎車(chē)、越野汽車(chē)的懸架系統(tǒng)[1]。采用扭桿彈簧的懸架具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。決定扭桿彈簧性能的參數(shù)主要有材質(zhì)、外形尺寸、熱處理工藝等。從材質(zhì)上來(lái)講，一般采用彈簧鋼進(jìn)行加工，常用來(lái)制造扭桿彈簧的材質(zhì)有60Si2Mn、40Cr、42CrMo等材料；從外形尺寸上來(lái)講，桿身長(zhǎng)度、桿身直徑是其設(shè)計(jì)的主要考慮參數(shù)；從熱處理角度來(lái)講，常用的熱處理方式為整體淬火和感應(yīng)淬火等。不同材質(zhì)搭配不同直徑及熱處理方法制作成的扭桿性能各不相同。當(dāng)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，往往是多種因素造成的，如果僅在生產(chǎn)過(guò)程中改變一種因素，很難做到真正地解決問(wèn)題。因此，有必要采用合適方法對(duì)扭桿彈簧從設(shè)計(jì)方案的層面進(jìn)行分析及優(yōu)化。

DFSS(Design For Six Sigma)意為六西格瑪設(shè)計(jì)。六西格瑪是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，它通過(guò)系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進(jìn)流程，實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的過(guò)程設(shè)計(jì)[2]。常用的DFSS流程分為識(shí)別(Identify)、定義(Define)、展開(kāi)(Develop)、優(yōu)化(Optimize)、驗(yàn)證(Verify)[3]。文中采用DFSS方法，以某型號(hào)卡車(chē)扭桿彈簧的設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)扭桿彈簧進(jìn)行分析和優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)室及道路試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案有效避免了扭桿彈簧斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，且整體質(zhì)量減少了約10%。

1 原設(shè)計(jì)方案的安全風(fēng)險(xiǎn)分析

應(yīng)用在某型號(hào)卡車(chē)的扭桿彈簧，原始設(shè)計(jì)方案的主要參數(shù)如表1所示。

表1 扭桿彈簧原設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)

其結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為調(diào)節(jié)臂、軸套、扭桿、搖臂幾個(gè)部分；同時(shí)，為了防止扭桿在運(yùn)輸過(guò)程中從軸套及搖臂中掉落，在扭桿前后各追加了一個(gè)固定螺栓。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)建立有限元模型，用CAE軟件分析發(fā)現(xiàn)：由于5、6兩個(gè)固定螺栓的存在，使扭桿在扭轉(zhuǎn)時(shí)不僅受到剪應(yīng)力，還受到了螺栓帶來(lái)的垂直于軸向的壓應(yīng)力，導(dǎo)致扭桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)力集中，具體集中的程度依據(jù)螺栓緊固的程度不同而定(如圖2所示)。另外，原設(shè)計(jì)中扭桿采用的熱處理方法是整體淬火，由于扭桿花鍵端不能進(jìn)行熱處理，所以如果采用這種淬火方式，容易在桿身與花鍵的過(guò)渡處因淬火應(yīng)力過(guò)大而造成裂痕。扭桿彈簧對(duì)這種裂痕十分敏感，350 μm深的裂痕會(huì)使裂痕周?chē)鷳?yīng)力增加約75%，在扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在裂痕處形成應(yīng)力集中，最終造成疲勞性破壞。圖3即為扭桿彈簧因淬火裂痕導(dǎo)致斷裂的實(shí)例。因此，可以判定該扭桿彈簧的原設(shè)計(jì)方案存在安全風(fēng)險(xiǎn)，容易因應(yīng)力集中而出現(xiàn)疲勞性斷裂的問(wèn)題。

上述對(duì)于扭桿彈簧安全風(fēng)險(xiǎn)的分析，亦是DFSS的問(wèn)題點(diǎn)識(shí)別過(guò)程。

2 改善方案的提出

從表面上看，造成扭桿彈簧質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的因素主要是固定螺栓和淬火方式，但實(shí)際上影響扭桿彈簧整體耐久性的因素還包括材質(zhì)、外型尺寸等，如果僅僅是“頭痛醫(yī)頭”地改變扭桿構(gòu)造或淬火方式，很難達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，因此有必要對(duì)上述各因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析。DFSS流程中運(yùn)用圖4所示的方式表達(dá)各因素之間的關(guān)系。

圖4中，控制因素即為影響扭桿性能的主要量化性可控因素。為了消除扭桿質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可從如下幾個(gè)方面改進(jìn)：

(1)對(duì)于扭桿結(jié)構(gòu)中的固定螺栓，可以將扭桿彈簧的裝配工藝由原有的供應(yīng)商組裝后以總成形式運(yùn)輸?shù)狡?chē)制造廠，改為以散件的形式運(yùn)輸?shù)狡?chē)制造廠后再裝配成總成，這樣就無(wú)需考慮運(yùn)輸過(guò)程中的扭桿脫落問(wèn)題，從而在結(jié)構(gòu)上直接取消固定螺栓。

(2)對(duì)于熱處理方式，可以選擇感應(yīng)淬火作為備選方案，不過(guò)由于不同的淬火方式對(duì)于金屬材質(zhì)也有不同的要求，因此在確定淬火方式的同時(shí)，也有必要重新考慮扭桿彈簧的材質(zhì)及外形尺寸。參考扭桿彈簧常用材質(zhì)及常見(jiàn)規(guī)格，確定各參數(shù)備選方案，如表2所示。

表2 扭桿彈簧備選設(shè)計(jì)方案表

像這種依據(jù)客戶及質(zhì)量的要求，轉(zhuǎn)化為對(duì)于工藝的要求，提出設(shè)計(jì)方案的過(guò)程，便是DFSS的定義過(guò)程。

3 改善方案的分析及優(yōu)化

根據(jù)表2，可以看出3種設(shè)計(jì)參數(shù)的任意一種組合都可以成為一種設(shè)計(jì)方案，一共有18種設(shè)計(jì)方案。如果對(duì)這18種方案都進(jìn)行試制驗(yàn)證，必然浪費(fèi)較多的時(shí)間和成本，因此有必要在試制之前對(duì)各種方案進(jìn)行分析和篩選，選擇最優(yōu)化的方案進(jìn)行試制驗(yàn)證。

從扭桿彈簧的淬火質(zhì)量角度來(lái)講，淬火的目的就是為了提高金屬材質(zhì)的力學(xué)性能。扭桿扭轉(zhuǎn)時(shí)承受的剪應(yīng)力主要集中在表面，因此需要較高強(qiáng)度的表面硬度，而為了更好地吸收載荷，又需要較小芯部硬度來(lái)提高其柔韌性。感應(yīng)淬火又稱(chēng)表面硬化熱處理，這種淬火方式可以使扭桿表面硬度較高(大于HRC 50)、內(nèi)部硬度較低(小于HRC 40)，且淬火變形小，能提高扭桿彈簧的表面質(zhì)量[4]，不易形成裂痕，沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度以及耐磨性都有很大提高[5]，因此該扭桿彈簧更適宜使用此種熱處理方法。

在變形量方面，采用CAE軟件進(jìn)行分析。首先建立有限元模型如圖5所示，該模型的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

單元類(lèi)型網(wǎng)格劃分方法節(jié)點(diǎn)數(shù)量SOLID186/SURF154SWEEP21027

在不考慮淬火的情況下，就9種扭桿模型加載相同的850 MPa應(yīng)力，得到扭轉(zhuǎn)變形量如表4所示。

表4 扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)變形量

根據(jù)表4可知：在施加相同應(yīng)力的情況下，40Cr材質(zhì)、25.5 mm直徑的扭桿彈簧變形量最小，其次是同材質(zhì)的24 mm扭桿。容易推得，變形量越小，彈簧顯得越硬。對(duì)于車(chē)輛來(lái)講，扭桿彈簧越硬，駕駛員舒適性越不好，但是相應(yīng)地可以防止車(chē)輛制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)“點(diǎn)頭”現(xiàn)象，對(duì)安全性和操作性有益。由于該扭桿應(yīng)用于載重型卡車(chē)上，安全性及操作性的要求要優(yōu)于舒適性的要求，況且駕駛舒適性可以選用質(zhì)量較好的座椅來(lái)彌補(bǔ)，因此該扭桿更適合選用變形量較小的設(shè)計(jì)方案。

從使用壽命角度來(lái)講，將上述有限元模型導(dǎo)入CAE壽命分析模塊中，得到表5所示的壽命結(jié)果。值得注意的是，此次耐久性分析限于CAE軟件的功能，無(wú)法考慮扭桿彈簧的熱處理狀態(tài)，因此計(jì)算結(jié)果要小于實(shí)際壽命，但各種扭桿使用壽命長(zhǎng)短的趨勢(shì)是可以參考的。

表5 扭桿彈簧扭CAE耐久性分析結(jié)果

從表5可知：扭桿彈簧的耐久性并不是嚴(yán)格地按照直徑的增加而單調(diào)變化，而是先增加、后減小。25.5 mm直徑耐久性低于24 mm直徑耐久性，是由于直徑越大、扭桿截面承受高應(yīng)力的面積越大，從而耐久性越差；24 mm直徑耐久性高于22 mm耐久性，是由于扭桿端部存在一個(gè)桿身直徑到花鍵直徑的過(guò)渡區(qū)，直徑越小，過(guò)渡區(qū)的直徑差越大，從而耐久性越差。因此扭桿彈簧的直徑值與耐久性的關(guān)系存在一個(gè)最優(yōu)值。此次分析中，40Cr材質(zhì)、24 mm直徑的耐久性趨勢(shì)最好，可作為優(yōu)先選擇方案，且此種方案在扭桿扭轉(zhuǎn)到最大角度43°時(shí)的最大應(yīng)力為811 MPa，滿足安全使用的要求。CAE分析結(jié)果如圖6所示。

綜合熱處理、扭轉(zhuǎn)變形量、使用壽命等幾個(gè)因素的分析結(jié)果，最終選定40Cr材質(zhì)、24 mm直徑、感應(yīng)淬火這種扭桿彈簧作為設(shè)計(jì)方案的最終優(yōu)化結(jié)果并進(jìn)行試制驗(yàn)證。

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案和原設(shè)計(jì)方案相比有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)新設(shè)計(jì)方案在同等應(yīng)力下變形量減小0.32°，使用壽命延長(zhǎng)5%以上；

(2)新設(shè)計(jì)方案淬火后的表面質(zhì)量更好，抵御斷裂風(fēng)險(xiǎn)的能力大大提高。

(3)新方案由于材質(zhì)、外形尺寸的變更，整體質(zhì)量由原設(shè)計(jì)的3.7 kg減少為3.3 kg，減少幅度約為10%，實(shí)現(xiàn)了輕量化，降低了整車(chē)油耗。

上述對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多角度的綜合分析并選擇最優(yōu)方案的過(guò)程即是DFSS的展開(kāi)及優(yōu)化過(guò)程。

4 試制驗(yàn)證

基于最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，試制若干扭桿彈簧并對(duì)其進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)、耐久性實(shí)現(xiàn)、道路試驗(yàn)，結(jié)果顯示能夠滿足該車(chē)型的使用要求。主要試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 扭桿彈簧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

綜上所述，得到如下結(jié)論：

(1)以DFSS流程為分析方法，詳細(xì)研究了直徑、材質(zhì)、熱處理方式等因素對(duì)于扭桿彈簧的性能影響，最終從18種備選設(shè)計(jì)方案中選定40Cr材質(zhì)、24 mm直徑、感應(yīng)淬火這種扭桿彈簧作為最優(yōu)選案。該方案有效消除了原設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，使扭桿彈簧在使用安全性和使用耐久性上提升5%以上，降低了扭桿斷裂的概率，整體質(zhì)量減輕約10%。

(2)扭桿彈簧的耐久性和直徑及材質(zhì)有關(guān)，但并不是嚴(yán)格地按照直徑的增加而單調(diào)變化，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。

(3)DFSS作為一種從最初設(shè)計(jì)中查找問(wèn)題原因的方法，相比于其他僅從生產(chǎn)過(guò)程中尋求改善的方法來(lái)講，能夠真正地從根本上找到問(wèn)題發(fā)生的原因，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

(4) DFSS流程能夠使分析人員在分析多種因素并存的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，有效地找到最優(yōu)方案，節(jié)省分析的時(shí)間，降低驗(yàn)證的成本。

【1】 孫為群，何鳳鳴.汽車(chē)扭桿彈簧的設(shè)計(jì)與制造[J].汽車(chē)科技,2002(2):23-25.

【2】 馬林，何禎.六西格瑪管理[M].北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社,2007:13-15.

【3】 朱正禮,杜建福,蘭志波.DFSS在新能源汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,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，曾少鵬,袁石根.感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].熱處理技術(shù)與裝備,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，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)。E-mail:kevin.w.wang@gm.com。