汽车钢板弹簧疲劳寿命分析方法

  汽车钢板弹簧疲劳寿命分析方法

丁震杰

杭州汽车部件有限公司

摘要：为合理研究汽车钢板弹簧的疲劳寿命，利用载荷谱测量数据，定义和调整材料疲劳曲线，并采用Miner的累积磨损理论，最后得出汽车钢板弹簧寿命结论。结果与汽车安全性试验的结论十分相符，同时对影响钢板弹簧使用寿命的各种因素进行了研究，建立了一种通过测试分析来检测钢板弹簧疲劳寿命的办法，有助于提高汽车板簧的可靠性。

关键词：汽车行业；钢板弹簧；疲劳寿命；具体方法

引言：汽车钢板弹簧是车辆悬挂体系中的最主要部分之一，具有联接轮胎和车架的功能。除汽车和货物的载重以外，还承担着道路崎岖所带来的冲击。由此可见，板簧作为汽车减震和储能的重要部件，能够吸收巨大的弹性而不发生永久变形。为了良好的汽车行驶舒适性和汽车稳定性，就必须提高钢板弹簧的强度和使用年限。因此，对于汽车钢板弹簧疲劳寿命分析具有积极意义。

1. 影响钢板弹簧寿命的主要因素

（一）原料的选用

对于抗拉强度高的板簧，在使用中不易发生永久变形，如果钢在淬火时为全马氏体，则其力学性能均匀分布在横截面上，钢材可以发挥其最大的抗拉强度。如果钢中含有其他非马氏体组织，则芯部的力学性能低，特别是韧性低，会降低其弹性极限和屈服强度。因此，首先钢铁材料本身应具备一定的淬透性，不同的金属材料拥有各不相同的淬透性。由于钢板弹簧产品需要严格执行国家相关汽车技术标准，规定为疲劳寿命大于或等于8万次以上的产品为合格产品。所以，选用材料的主要依据就是产品的疲劳寿命，是否能够满足技术标准^[1]。

（二）原材料的质量

钢板弹簧原材料的质量主要包括两种因素：分别为原材料的外部质量和内部质量。原材料的外部质量有很多缺陷，比如划痕、凹坑、开裂、锈蚀、侧裂等等。原材料的内部质量缺陷也不少，通常包括非金属夹杂物、气孔、气泡、条带。结构松散，碳化物偏析高，开裂，碳和合金含量低。原材料的内部品质问题，一般分为：非金属夹杂物质、气孔、气泡、细条带。结构疏松、碳化物偏析度高，容易发生断裂现象，碳和合金含量较少。而原料的上述缺陷最终也会减少了板簧的疲劳寿命，而原料的上述腐蚀又会造成了热处理过程中的热加工及强度性能缺陷，这些问题都很难被解决，尤其是50CrVA等弹簧钢材料。

3. 热处理的质量

钢板弹簧的典型热处理是淬火加回火。通过淬火提高硬度强度，通过回火消除内应力提高韧性，使板簧获得综合的性能来满足弹簧的使用要求。板簧热处理时的质量缺陷主要有以下方面影响。

1. 表面脱碳，过热过烧

弹簧片在热处理时加热温度过高或加热时间过长，会造成表面出现大的脱碳现象，金相组织内部晶粒粗大，脆性增加，甚至使其变成废品。通过试验已经证明随着脱碳层深度的增加会导致板簧的疲劳寿命急剧下降。

2.硬度不足或不均匀

在同一板簧片上，由于加热冷却不均，淬火操作不正确，使的各处硬度不一致或高或低相差较大，对使用质量也有较大影响。在使用过程中硬度低处将是容易发生应力集中点，最容易发生裂纹断裂。

3.淬火侧弯或裂纹

加热炉内温度不均匀，炉内温度在两侧温差很大时,使淬火冷却内部应力不一，超过本身的强度，就会造成弯曲，甚至裂纹。要选择先进的加热炉和淬火设备，选择正确的淬火剂来确保。

对于板簧来说，热处理的品质是汽车钢板弹簧优质制造的重要关键。而热处理品质的优劣，取决于合理的热处理制度、加工设备的稳定运行状况和操作人员的专业知识水平都有必要关系，在加工系统稳定工作的情况下，操作人员的专业知识水平尤为关键。因此必须加强针对汽车钢板弹簧热处理工序的质量控制。

3. 加工工艺的影响

1.喷丸的影响

金属丸（来自直径为0.8-1.2毫米的弹簧钢丝）通过抛丸机喷射到簧片的凹面（工作表面）上，导致簧片表面塑性变形和残余压应力,可以减少因工作负荷造成的损伤。同时喷丸处理改变了表面金属分子晶体的排列方式，消除或改善表面缺陷，可以提高金属的表面强度。喷丸处理可分为一般喷丸处理和应力处理。喷丸总应力产生的最大残余压力，钢板弹簧为550MPa~650MPa，喷丸可达到1100MPa~1300MPa。一般来说，喷丸较一般使用寿命可延长1-2倍，应力喷丸较常规喷丸可延长2-7倍（取决于喷丸预紧力），否则使用寿命会大幅度缩短。

2. 预压缩的影响

预压缩处理的目的是对板簧施加一定的载荷，使单片表面的拉应力超过屈服强度，当应力释放后，板簧组件和单片具有一定的强度。并且每个单独簧片的残余压应力使受拉表面的实际拉应力相对减小，提高疲劳寿命。此外，在塑性发生变形后，改善各簧片接触状态，使板簧组件的片材纵向方向的应力分布较为均匀。还有时也能及时发现缺陷。

二、钢板弹簧载荷谱测试与分析

要想获得板簧的静载荷，必须先用起重装置将车身抬起，最后轮子离开着陆平面，此时要确保与板簧的条件相同，传感器和数据采集装置归零，开始采集信号。将车身慢慢降低至车辆自然、稳定、静止的状态。此时称重传感器反射的信号就是车内板簧的静载荷。整个过程采集信号，读取静载荷数据，重复3次后，平均值为630 MPa，用于后续疲劳分析。应变仪在参考车辆的静态和稳定状态下归零并收集信号。将测量结果和实际静态负荷数据叠加转换得到纯动载荷信息，最后，将钢板弹簧的实际动态负荷谱如图一所给出。可以发现，由于钢板弹簧的受力很大，并且被拉持续时间也较长。要实现有效的疲劳损伤分析，首先需要分析随机载荷的频谱并得到一系列负荷循环及其时间变化的结果。而基于金属零件循环加载的雨流法计算原理则与实际负荷近似，因此具有较高的精度。雨流核算方法是目前最常用和最有效的核算和统计方法。雨流计数的结果可以表示为平均范围矩阵和累积降雨图。

图1 钢板弹簧实际动态载荷谱

三、疲劳性能曲线的确定

疲劳性能曲线，它显示负载和使用寿命（SN 曲线）之间的关系，是疲劳分析的先决条件。 根据疲劳理论，SN曲线分为三段，N为1e3和1e6为曲线拐点。 在N 1e3 和1e6 之间疲劳曲线显示出双对数线性关系。在公式△σ=SRI1 ，即 lg△σ=lgSRI1+b1lgN 式中，△σ为载荷的变形范围；SRI1为最大载荷变化范围的截距值，即b1材料疲劳特性双对数曲线斜率；N为寿命。取转折点1e6的数据，当N于1e6相等时，再加上曲线斜率b2=0时，即代表疲劳寿命无限延长,也就是说NC1所对应的最大应力变程与二倍的疲劳极限相同。当N小于1e3的范围，用材料的抗拉强度值(UTS)进行曲线修正，其中N=1时,截距点UTS(1-RR)正好对应抗拉强。在曲线图中，拐点与交点直接相关(其中RR为载荷谱谷值与波峰值之比)。最后，通过连接三个部分形成复杂的SN曲线，并作为计算疲劳损伤的基础。50CrV 材料（寿命 p = 50%）的疲劳数据参考材料工程手册。此外，该材料的抗拉强度为 1274 MPa，疲劳极限为 747 MPa，最后，确定了SN曲线它由三部分组成（如图2）。

图2 SN曲线

四、疲劳损伤计算及结果评价

喷丸工艺的影响比较深远，残余压应力能够对钢板弹簧的部分拉应力提供补给，从而大幅度延长结构的疲劳寿命。因此根据厂家所给出的数据和资料，可以假定残余压应力为-70MPa时，对钢板簧负荷谱进行叠加校正。并采用Goodman为最终负荷谱中的平均位置。按照线性累积损伤理论，每个电压级别所造成的伤害都是彼此独立的。因此各个电流级别所对应的伤害都是经过线性计算和累加的。经过雨流详细的计算分析后，其所有的内部应力具体包含计算后总疲劳损伤的结果中，不同负荷等级的总疲劳寿命有所不同(对应于SN曲线上的循环次数)。而通过对总疲劳损伤的综合运算，相应地也证明了钢板簧的总疲劳寿命为一千二百八十五个迭代^[2]。而且，经过采集了车辆室内的可靠性报告和实际测试数据信息，设计寿命和实际试验寿命之比还小于一，已经达到了国外认可的设计预测寿命和实际使用年限寿命均在零点五至二点零的区间范围内，所以计算结果还具有一定的可信度。

五、钢板弹簧使用寿命试验性评估方法

（一）标准试验

标准试验也被叫做等幅度疲劳试验。具体来说是使用了液压脉动装置来对车辆的真实行驶状况进行模拟，并以恒定频率加载钢板弹簧。测试决定了板簧的寿命，最终结果通常以时间为单位进行准确记录。

2. 随机疲劳试验机

这种方法称为PVP法，是特殊条件下的先导试验。这是变载荷试验，比第二种方法更先进，载荷平均值和幅值可以任意改变，操作次数也是任意的，所以更接近实际板材强度。

上述二种方法中，第一种测试方法为最早也是最简便的，因为检测标准相同，而且测试数据也具备一定相似性(不同厂家,见不同型号板簧质量提升前后对比)。相对于使用寿命的定义，可从实际使用年限数中得到。第二方法是最近才开始进行的测试方法。最大的优势是可以建立室内动态测试和道路公里数的等价关系，比如程序续航测试有相关性与同等里程。随机疲劳试验的适当计算方法也可用。由不同区域试验场等效里程与正常里程的比值，可得出室内测功机试验与道路里程的关系。

结论：通过文章分析得知，本文详细分析了汽车钢板弹簧载荷谱检测以及疲劳寿命的分析方法和流程，该方法在一定程度上减少了在传统的CAE分析中对非线性建模的误差，其分析方法和结论对车辆的钢板弹簧设计以及相关工作具有非常积极的影响。

参考文献：

1. 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.2019(08)：45-48.

2. 樊翠连,李舜酩,张袁元.钢板弹簧刚度特性及接触摩擦的非线性有限元分析[J].噪声与振动控制.2018(03)：90-93.