重型自卸車雙后橋鋼板彈簧設(shè)計(jì)改進(jìn)

范學(xué)瓊，吳濤，楊銀輝，張瀟，趙化剛

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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設(shè)計(jì)研究

重型自卸車雙后橋鋼板彈簧設(shè)計(jì)改進(jìn)

范學(xué)瓊，吳濤，楊銀輝，張瀟，趙化剛

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：某重型自卸車使用的雙后橋鋼板彈簧損壞嚴(yán)重，故障率很高；針對(duì)這種情況對(duì)板簧的斷裂進(jìn)行分析，確定斷裂的主要原因是鋼板彈簧承載力不足導(dǎo)致早期疲勞斷裂。運(yùn)用Hyperworks軟件分別完成四種方案的三維建模和應(yīng)力分析，考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性確定最終方案；改進(jìn)后的鋼板彈簧整體提高了疲勞壽命，臺(tái)架試驗(yàn)可達(dá)12萬次以上，市場反應(yīng)良好，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧；失效分析；斷裂；Hyperworks；試驗(yàn)驗(yàn)證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.003

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-08-03

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自卸車在工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用；重型自卸車的承載能力也逐漸的由中型向重型發(fā)展。重型自卸車一般都是在工地道路、礦坑道路等惡劣工況中使用，作為車輛承載元件的后鋼板彈簧受力情況尤其變得復(fù)雜；除了承受重力，側(cè)向力外，還要承受車輛扭曲、振動(dòng)、沖擊等復(fù)雜工況下的各種力。近期某款自卸車雙后橋某型號(hào)的鋼板彈簧市場反饋故障率很高；本文選擇該型號(hào)鋼板彈簧進(jìn)行分析研究，并提出解決方案。

1、平衡懸架結(jié)構(gòu)及受力原理

為了保證多軸車輛各軸的車輪能與地面保持良好的接觸，避免因個(gè)別車輪懸空而造成其他車輪的超載，多軸車輛常采用雙軸平衡懸架。目前多數(shù)商用車廠家多軸自卸車雙后橋結(jié)構(gòu)通常都采用平衡懸架系統(tǒng)（見圖1）；該結(jié)構(gòu)主要由平衡軸、平衡軸支架、鋼板彈簧座、中后驅(qū)動(dòng)橋、鋼板彈簧、上下推力桿總成、U型螺栓等組成；平衡軸支架通過螺栓固定在車架下翼面上，左右兩個(gè)平衡軸支架通過平衡軸連接在一起，鋼板彈簧通過U型螺栓固定在鋼板彈簧座，鋼板彈簧兩端支承在中后橋滑板內(nèi)，下面4根推力桿連接驅(qū)動(dòng)橋和平衡懸架。上面2根推力桿連接車架和驅(qū)動(dòng)橋。車橋、鋼板彈簧、推力桿形成一個(gè)整體可繞平衡軸承轂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。推力桿傳遞作用在懸架上的各種力和力矩，并通過杠桿作用使其連接的兩軸的車輪保持與地面接觸，并使其承載均勻。

圖1

2、失效原因分析

2.1 失效模式分析

針對(duì)某車型雙后橋某型號(hào)鋼板彈簧故障模式數(shù)據(jù)（如圖2），由圖2的帕累托圖可知斷裂占故障比93.7%，為分析改進(jìn)主要的突破方向。再分析各片的失效模式如圖3，從故障片的帕累托圖分析可知第1片～第9片為主要的失效片數(shù)，占比為95.5%，其中第1片失效數(shù)量最大（38.1%），為后期分析改進(jìn)的主要關(guān)注點(diǎn)。

圖2　鋼板彈簧總成故障模式的Pareto圖

圖3　鋼板彈簧單片故障模式的Pareto圖

2.2 鋼板彈簧的入庫檢驗(yàn)

從某廠物資采供中心了解到，2012年故障板簧在所有板簧不合格批次高達(dá)67.26%，在其它不合格產(chǎn)品批次中居第一位。對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，主要問題是磕碰、劃傷、銹蝕以及中心螺栓材質(zhì)問題，這些問題中各鋼板彈簧供應(yīng)商均比較突出，中心螺栓材質(zhì)問題尤其嚴(yán)重。同時(shí)對(duì)鋼板彈簧運(yùn)輸物流及安裝現(xiàn)場調(diào)研，物流庫房板簧露天存放如圖4，板簧的包裝方式簡陋粗糙如圖5，易造成板簧早期銹蝕、磕碰、劃傷等現(xiàn)象。

圖4　鋼板彈簧露天存放圖

圖5　鋼板彈簧包裝圖

2.3 隨機(jī)抽取6個(gè)供應(yīng)商生產(chǎn)的板簧進(jìn)行臺(tái)架疲勞壽命檢驗(yàn)，以便控制配套廠家的質(zhì)量，臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為≥12萬次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1

從臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知，在同樣的試驗(yàn)條件下，只有重慶紅巖和青島零部件的板簧符合要求，說明供應(yīng)商之間板簧質(zhì)量差異較大，這也是導(dǎo)致鋼板彈簧早期失效斷裂的原因之一。2.4 根據(jù)以上失效數(shù)據(jù)、理化、鋼板彈簧斷片截面等方面分析，結(jié)合市場車輛實(shí)際運(yùn)營情況，超載，路況惡劣等情況；判定鋼板彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂，鋼板彈簧承載力不足，其次，鋼板彈簧供應(yīng)各廠家質(zhì)量差異較大，板簧入包裝運(yùn)輸中的簡陋粗糙等原因。

3、優(yōu)化方案的確定

針對(duì)鋼板彈簧斷裂的主要原因進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則是在原板簧結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，板簧材料及硬點(diǎn)安裝尺寸保持不變，后續(xù)的設(shè)計(jì)方案依此為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。鋼板彈簧CAE分析加載示意如圖6所示：約束：約束A、B處節(jié)點(diǎn)所有自由度；載荷：首先在C處施加預(yù)緊力1424kN將板片壓緊（騎馬螺栓預(yù)緊力），在D處平衡軸殼：施加垂直方向，加載力279.3kN。

圖6　鋼板彈簧分析加載示意圖

圖7　最大應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)圖6分析加載圖進(jìn)行加載分析，四種優(yōu)化方案與原方案最大應(yīng)力對(duì)比如圖7所示。

表2　方案對(duì)比表

由以上表2分析對(duì)比現(xiàn)有方案，方案1各片板簧應(yīng)力最大，該方案不可行；方案4的板簧應(yīng)力最小，單車成本增加246元，可作為大噸位車型的技術(shù)儲(chǔ)備方案；方案2單車成本增加34元，平均應(yīng)力稍大，不能有效的降低故障率；方案3單車成本增加140元，平均應(yīng)力較小，能有效改善板簧的故障，作為備選方案。

4、疲勞分析及市場驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案4的可行性，對(duì)方案4鋼板彈簧樣件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)力檢測，疲勞試驗(yàn)在最大應(yīng)力833.5Mpa，應(yīng)力幅323.65Mpa條件下進(jìn)行；疲勞試驗(yàn)結(jié)果如下圖8所示；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可看出，改進(jìn)方案疲勞壽命有很大的提升，能夠滿足重載惡劣路況的使用。應(yīng)力檢測如圖9所示，在紅色標(biāo)記處布置16個(gè)應(yīng)力采集點(diǎn)，從檢測曲線圖可看出，隨著加載力的增加，1-6通道的應(yīng)力逐次增加，7-15通道的應(yīng)力處于同一水平狀態(tài)，第16通道應(yīng)力增加較為明顯，其原因是板簧為自由狀態(tài)下的加載，由中心螺栓造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布圖見圖10。

圖8　鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

圖9　應(yīng)力檢測點(diǎn)分布示意圖

圖10　鋼板彈簧應(yīng)力分布圖

5、結(jié)論

本文通過對(duì)重型自卸車雙后橋鋼板彈簧斷裂原因進(jìn)行了分析，通過市場斷裂鋼板彈簧總成及各片失效模式分析，入廠檢驗(yàn)檢查，各個(gè)供應(yīng)商鋼板彈簧質(zhì)量抽檢，最終確定鋼板彈簧斷裂原因判定鋼板彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂，鋼板彈簧承載力不足，其次，鋼板彈簧供應(yīng)各廠家質(zhì)量差異較大，板簧入包裝運(yùn)輸中的簡陋粗糙等原因。因此，按板簧材料及硬點(diǎn)安裝尺寸保持不變的原則，在原板簧結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)；用catia三維建模，用CAE分析手段分別完成四種方案應(yīng)力分析。通過分析結(jié)果比對(duì)，方案4相比原方案，應(yīng)力最小，承載力最大。最后經(jīng)過疲勞壽命分析和應(yīng)力檢測，改進(jìn)后的鋼板彈簧（方案4）滿足設(shè)計(jì)使用要求，疲勞壽命可達(dá)到15萬次。目前采用該鋼板彈簧總成車型已批量投放市場，市場反饋效果良好，經(jīng)濟(jì)效益也很顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 張勝蘭,鄭東黎,郝 琪,李楚琳.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 郭正康.現(xiàn)代汽車列車設(shè)計(jì)與使用.北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,2010.

中圖分類號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-08-03

作者簡介：范學(xué)瓊，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院商用車研究所，主要從事商用車底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Improvement design for leaf spring of the double-rear axle heavy dump truck

Fan Xueqiong, Wu Tao, Yang Yinhui, Zhang Xiao, Zhao Huagang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:According to the high failure rate of a heavy duty demp truck’s double-rear axle leaf spring, the reason of fracture were analyzed. The result that the lack of bearing capacity leads to the early fatigue fracture. The Hyperworks software is usedto complete the 3D modeling and application analysis of four schemes and the best scheme is based upon the practical and economic factor. The fatigue life of the improved one is increased by 30% compared with the original. Bench test is as high as 12,000 times, thus a good market reaction and possible improvement of the economic benefit.

Keywords:leaf Spring; failure analysis; fracture; Hyperworks; Test verification