徐世福，張帆，李鋒

（1.陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200；2.陜汽集團(tuán)商用車有限公司，陜西 寶雞 721013）

前言

隨著國(guó)內(nèi)工程自卸車的發(fā)展，工程自卸車的使用的工況比較復(fù)雜，主要在一些工況惡劣的環(huán)境下使用，目前，某系列工程自卸車鋼板彈簧總成出現(xiàn)批量承載能力不足、偏軟、在工況復(fù)雜的情況下會(huì)出現(xiàn)斷裂，造成工程自卸車性能不穩(wěn)定，工程自卸車后懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧總成的質(zhì)量問題多，嚴(yán)重影響工程自卸車的使用性能，同時(shí)給工程自卸車運(yùn)輸中帶來非常大的安全隱患。

1 工程自卸車鋼板彈簧總成的問題分析

1.1 鋼板彈簧總成技術(shù)狀態(tài)以及問題描述

1.1.1 設(shè)計(jì)前鋼板彈簧總成的規(guī)格90x30x11，弧高60±6mm，剛度4100±400N.m；工程自卸車鋼板彈簧總成組成如圖1 所示；設(shè)計(jì)前工程自卸車鋼板彈簧總成斷裂如圖2 所示。

圖1 工程自卸車鋼板彈簧總成組成

圖2 工程自卸車鋼板彈簧總成斷裂

1.2 技術(shù)參數(shù)現(xiàn)狀分析

1.2.1 剛度失效原因分析

鋼板彈簧總成截面尺寸S=hxbxn，設(shè)計(jì)前的截面尺寸S=30x90x11=297cm2。

結(jié)論：鋼板彈簧總成設(shè)計(jì)截面積小，剛度太大，導(dǎo)致減震性大大降低，韌性和脆性降低，在驅(qū)動(dòng)時(shí)又會(huì)增大鋼板彈簧總成的載荷，從而導(dǎo)致鋼板彈簧總成容易斷裂。

1.2.2 心部硬度現(xiàn)狀分析

圖3 心部硬度過程能力圖

1.2.3 表面硬度分析表

圖4 表面硬度控制圖

結(jié)論：實(shí)際測(cè)量心部硬度平均值35.98，心部硬度偏小不滿足設(shè)計(jì)要求硬度在37.5-44.4 之間，實(shí)際測(cè)量硬度平均值332.6，硬度偏小不滿足設(shè)計(jì)要求硬度在365-421 之間。在生產(chǎn)制造工藝過程中，鋼板彈簧總成回火時(shí)間短、回火溫度低、回火的溶液質(zhì)量低、淬火沒有淬透、元素含量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求、回火的一致性的差距大，從而導(dǎo)致鋼板彈簧回火硬度偏軟，產(chǎn)品心部硬度值差異大，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。

1.2.4 疲勞循環(huán)的現(xiàn)狀分析

圖5 疲勞循環(huán)概率圖

結(jié)論：實(shí)際測(cè)量疲勞循環(huán)平均值57948，疲勞循環(huán)偏小并且不滿足設(shè)計(jì)要求疲勞循環(huán)大于9 萬次。產(chǎn)品各種性能參數(shù)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由于設(shè)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù)比較低，沒有達(dá)到產(chǎn)品在使用過程中的要求，造成了產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定。因此，導(dǎo)致產(chǎn)品的早期失效故障的發(fā)生。

綜合以上所述的技術(shù)參數(shù)情況分析可知，某系列性工程自卸車鋼板彈簧總成由于技術(shù)參數(shù)以及工藝沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中的質(zhì)量問題。

2 工程自卸車鋼板彈簧總成開發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 鋼板彈簧總成作用長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

圖6 鋼板彈簧總成作圖法設(shè)計(jì)圖

根據(jù)整車布置以及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)分析：本產(chǎn)品鋼板彈簧總成系數(shù)取0.35，即L=5210X0.35=1823.5，根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知有效L 最終取值為1560 計(jì)算，S=255，即L/2=1820/2=900，S/2=255/2=127.5。

2.2 鋼板彈簧總成片數(shù)n

根據(jù)工程自卸車市場(chǎng)的通用性、可制造性、可維護(hù)性最終確定鋼板彈簧總成的尺寸參數(shù)，多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6～14 片之間選?。患丛O(shè)計(jì)鋼板彈簧總成的片數(shù)為n=14 片，有利于制造和裝配，降低片間的干摩擦，改善汽車行駛平順性。

2.3 板簧厚與寬尺寸的確定

根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算設(shè)計(jì)鋼板彈簧所需要的總慣性矩J0：

Jo=[(L-ks)3cδ]/48E=(1560-0.5x255)3

x3104x1.262/48x206x103=1164645.5 式中，s 為U 形螺栓中心距(mm)；(取k=0.5)；c 為鋼板彈簧垂直剛度(N/mm)，δ為撓度增大系數(shù)（然后用δ=1.5/[1.04(1+0.5η)]初定δ，η=n1/no)；E 為材料的彈性模量。

根據(jù)鋼板彈簧總成截面系數(shù)Wo 式計(jì)算可知：

Wo≥[Fw(L-ks)]/4[σw]=150000x(1560-0.5x255)/4x497=108087

對(duì)于50CrVA 材料，表面經(jīng)噴丸處理后推薦[σw]在下列范圍內(nèi)選取：鋼板彈簧總成為470～600N／mm2；

hp=2Jo/WO=(L-ks)2δ[σw]/6Efc=2x1164645.5/108088=21.55

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求鋼板彈簧總成h 應(yīng)符合型材規(guī)格尺寸，因此推薦鋼板彈簧寬度設(shè)計(jì)值為100mm，鋼板彈簧總成100/21.55=4.64，值接近5，滿足推薦片寬與片厚的比值b／hp 在5～10 范圍內(nèi)的要求。

2.4 鋼板彈簧片厚h 的選擇

根據(jù)矩形斷面等厚鋼板彈簧總成的總慣性矩J 設(shè)計(jì)要求計(jì)算式可知，n 為鋼板彈簧片數(shù)。

Jo=nbh3/12，鋼板彈簧總成厚與寬尺寸的確定如下：1164645.5=14x100xh3/12，因此 h=21.53mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求鋼板彈簧總成h 應(yīng)符合型材規(guī)格尺寸，因此推薦設(shè)計(jì)值為22。

圖7 鋼板彈簧總成效果圖

結(jié)論：重新設(shè)計(jì)后鋼板彈簧總成的規(guī)格為100X22X14，弧高67±6mm，剛度2635±263N.m。

3 工程自卸車鋼板彈簧總成的效果

通過重新對(duì)工程自卸車鋼板彈簧總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根本性的消除鋼板彈簧總成斷裂、承載能力不足、偏軟、在工況復(fù)雜的情況下會(huì)出現(xiàn)斷裂，造成工程自卸車性能不穩(wěn)定，車輛故障頻繁問題，不改變現(xiàn)有的后平衡懸架結(jié)構(gòu)的情況下達(dá)到通用化模塊化設(shè)計(jì)。提高車輛鋼板彈簧總成的強(qiáng)度，不出現(xiàn)開裂以及斷裂現(xiàn)象，提高平衡懸架的抗彎性抗扭性，提高工程自卸車平衡懸架的通用性、降低工程自卸車平衡懸架的開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，可以根據(jù)車輛工況以及鋼板彈簧的強(qiáng)度靈活調(diào)整整車的承載能力的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過實(shí)際車輛驗(yàn)證整車各個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求并且安全可靠，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證計(jì)劃在工程自卸車上全面推廣體現(xiàn)。

整車在最大負(fù)載，路面良好的工況下，鋼板彈簧總成依然能保持良好的工作狀態(tài)，處于平穩(wěn)的狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生變形，彎曲以及損壞；整車在最大負(fù)載，路面不平或坑洼的工況下，鋼板彈簧總成在瞬時(shí)沖擊力下，處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生變形，彎曲以及損壞。

4 結(jié)論

文章主要介紹了工程自卸車鋼板彈簧總成設(shè)計(jì)，通過此設(shè)計(jì)方案可以顯著的提高工程自卸車使用的安全性、可靠性、穩(wěn)定性；提高鋼板彈簧總成的抗彎性、抗扭性的要求，平衡懸架的綜合性能穩(wěn)定性顯著提高、可靠性得到有效的改善、延長(zhǎng)使用時(shí)間、提高了工程自卸車的出勤率，提供一種有效的綜合性的解決方案。