王宇航，邱 星，邱祖峰，賈慧芳，梅秋武

某皮卡前懸架彈簧托盤疲勞分析及優(yōu)化

王宇航，邱 星，邱祖峰，賈慧芳，梅秋武

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330052）

為解決某皮卡前彈簧減震器總成臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中彈簧托盤的開裂失效問題，首先用有限元技術(shù)建立彈簧減震器托盤模型，模擬得到彈簧減震器在拉升、壓縮工作過程中托盤應(yīng)力，然后運(yùn)用Miner線性累加損傷方法對(duì)托盤進(jìn)行疲勞分析，實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)。通過增大托盤沖壓型面倒圓角，使其通過了臺(tái)架試驗(yàn)及整車道路耐久試驗(yàn)，表明了此方法的工程有效性。該方法對(duì)減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

皮卡前懸架；彈簧托盤開裂；疲勞分析；計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）；減震器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

當(dāng)前皮卡銷量逐年遞增，因其多功能、越野能力較強(qiáng)、舒適性和操控性較好，商用和家用都很受消費(fèi)者歡迎。圖1為皮卡雙叉臂前獨(dú)立懸架彈簧減震器總成。作為汽車重要組成部件，按照目前汽車行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的V型開發(fā)流程，底盤系統(tǒng)需要先經(jīng)過臺(tái)架耐久試驗(yàn)，再經(jīng)過整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證才能最終完成凍結(jié)。在各種嚴(yán)酷的開發(fā)試驗(yàn)中，其常見的失效模式主要為強(qiáng)度失效和疲勞耐久失效，常表現(xiàn)為減震器漏油、彈簧托盤開裂、異響等。本文主要研究彈簧托盤的疲勞耐久失效及其解決方法。

疲勞分析需要三個(gè)輸入條件：幾何體的有限元分析結(jié)果、材料的疲勞曲線、載荷譜[1]。減震器彈簧托盤的疲勞分析難點(diǎn)在于獲取準(zhǔn)確完整的托盤應(yīng)力時(shí)間歷程，彈簧在壓縮、釋放過程中發(fā)生大變形，與托盤的實(shí)際接觸面積也是實(shí)時(shí)改變。這些都需要進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）建模論證。針對(duì)此問題，本文基于懸架運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于自由狀態(tài)彈簧分別加載到上跳極限、設(shè)計(jì)狀態(tài)、下跳極限三種狀態(tài)，截取相應(yīng)的托盤應(yīng)力變化過程構(gòu)建彈簧的整個(gè)過程中完整的托盤應(yīng)力幅變化過程，然后共同用于托盤疲勞分析。

圖1 某皮卡前彈簧減震器總成

1 有限元建模

1.1 建立有限元模型

該皮卡前減震器彈簧總成主要由減震器、螺旋彈簧、托盤、上支座、限位塊組成。彈簧托盤支架重量為0.42 kg，支架厚度為3.2 mm，其材料為SAPH440（抗拉強(qiáng)度為440 MPa）。托盤及套筒用單元尺寸約3 mm三角形及四邊形殼混合單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，自由狀態(tài)彈簧采用2.5 mm的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)進(jìn)行彈簧剛度的對(duì)標(biāo)，從彈簧形狀及彈簧剛度上來提升彈簧與托盤接觸受力的分析精度，彈簧上蓋用四面體單元建模；托盤與套筒用六面體及Dcoup3D模擬焊縫連接，彈簧與托盤通過設(shè)置接觸模擬其實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系，減震器套筒兩端用Rigid單元連接用于對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行全約束；以減震器活塞桿軸線上的點(diǎn)為主點(diǎn)，彈簧上蓋中心的Rigid的單元主點(diǎn)用于加載懸架行程位移，方向沿減震器活塞桿軸線指向托盤。設(shè)置ABAQUS載荷步相關(guān)參數(shù)，注意本分析需要勾選幾何非線性選項(xiàng)。至此建立該皮卡前懸減震器彈簧托盤總成完整有限元模型，如圖2所示。其中單元總數(shù)為6 642，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為7 448。

圖2 減震器彈簧托盤有限元模型

1.2 應(yīng)力分析結(jié)果

懸掛系統(tǒng)彈簧運(yùn)動(dòng)形成一般用三個(gè)位置狀態(tài)來定義：車輪上跳極限位置jounce狀態(tài)、車輪下跳極限位置即rebound狀態(tài)、處于上下跳極限中間的由車企自定義的一個(gè)載荷狀態(tài)即design。在采用ABAQUS求解器進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算該減震器彈簧托盤有限元模型在designjounce ebound三個(gè)彈簧壓縮狀態(tài)之間工作過程下托盤受力情況，輸出對(duì)應(yīng)每個(gè)工作區(qū)間下的應(yīng)力信息，如圖3、圖4、圖5所示為三個(gè)狀態(tài)時(shí)刻的托盤應(yīng)力情況。design狀態(tài)托盤最大應(yīng)力為209.3 MPa；jounce狀態(tài)托盤最大應(yīng)力為288.1 MPa；rebound狀態(tài)托盤最大應(yīng)力為143.1 MPa，三種狀態(tài)下最大應(yīng)力位置都在托盤底部倒圓圓周處。

圖3 彈簧在design壓縮狀態(tài)下托盤應(yīng)力結(jié)果

圖4 彈簧在jounce壓縮狀態(tài)下托盤應(yīng)力結(jié)果

圖5 彈簧在rebound壓縮狀態(tài)下托盤應(yīng)力結(jié)果

2 疲勞壽命分析

2.1 金屬疲勞損傷累積理論

機(jī)械零件即使在許用安全系數(shù)以內(nèi)使用也可能會(huì)產(chǎn)生開裂、斷裂等失效故障，過往很多研究已經(jīng)證明這些失效是疲勞損傷的累積造成的。所謂疲勞損傷，是指金屬零部件在循環(huán)載荷作用下材料的微觀結(jié)構(gòu)的變化及其形成的裂紋形核和擴(kuò)展[2]。疲勞損傷累積是由隨機(jī)載荷或者循環(huán)載荷反復(fù)加載下產(chǎn)生的。

材料在恒定載荷循環(huán)加載下，每次循環(huán)造成損傷=1/，是給定應(yīng)力水平下材料的疲勞壽命。次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的損傷為，經(jīng)推導(dǎo)后變幅載荷下的總損傷值為

（1）

式中，為變幅載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；n為第級(jí)載荷下的循環(huán)次數(shù)；N為第級(jí)載荷下的疲勞壽命。當(dāng)損傷累計(jì)達(dá)臨界損傷值f時(shí)，即=f時(shí)，將發(fā)生疲勞失效[3]。將各個(gè)應(yīng)力幅值下的損傷累加起來就得到零件的總損傷，當(dāng)總損傷超過臨界損傷時(shí)零件發(fā)生疲勞失效。這就是Miner線性疲勞累積損傷理論及疲勞失效準(zhǔn)則。

2.2 彈簧托盤疲勞壽命分析

使用通過靜力學(xué)分析已獲得的designjounce rebound載荷歷程下彈簧托盤的應(yīng)力幅，結(jié)合托盤材料的曲線，通過Miner線性累加損傷法[4]，計(jì)算出托盤循環(huán)使用壽命為303 665次，如圖6所示，不滿足臺(tái)架DV試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)大于次數(shù)500 000次的設(shè)計(jì)要求。

圖6 原故障方案托盤疲勞壽命結(jié)果

圖7 實(shí)際托盤臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

圖8 實(shí)際托盤臺(tái)架疲勞試驗(yàn)開裂結(jié)果

彈簧減震器托盤臺(tái)架疲勞試驗(yàn)（如圖7所示）中進(jìn)行到284 342次循環(huán)時(shí)，托盤出現(xiàn)開裂失效（如圖8所示）。模擬疲勞分析的危險(xiǎn)區(qū)域及壽命與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果均很接近，說明該疲勞分析模型可以支持相關(guān)工程性能評(píng)估及改進(jìn)。

2.3 優(yōu)化改進(jìn)

通過分析該新開發(fā)托盤失效原因，排除了材料、制造工藝、形狀誤差等因素，通過類比過往近似車型的彈簧托盤結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前故障托盤底部圓周的沖壓倒角為R3 mm，而過往量產(chǎn)類似車型倒角為R7 mm。結(jié)合沖壓工藝考慮，沖壓件的圓角半徑太小，會(huì)造成圓角局部減薄超標(biāo)，容易造成圓角區(qū)域開裂[5]。因此本文提出將原方案底部圓周倒角由R3 mm增大到R7 mm的改進(jìn)方案進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果顯示該優(yōu)化方案循環(huán)使用壽命為546 471次，如圖9所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 優(yōu)化改進(jìn)方案托盤疲勞壽命結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于理論優(yōu)化方案制作樣件，按照企業(yè)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)際效果驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示該優(yōu)化方案在達(dá)到設(shè)計(jì)要求循環(huán)次數(shù)時(shí)，托盤未出現(xiàn)開裂失效問題，滿足了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某皮卡前懸減震器彈簧托盤臺(tái)架疲勞試驗(yàn)托盤開裂失效問題，建立了彈簧及托盤的有限元模型，巧妙地通過分析得到彈簧在懸架行程上極限、設(shè)計(jì)載荷、下跳極限整個(gè)加載歷程下托盤應(yīng)力，運(yùn)用Miner線性累加疲勞損傷法進(jìn)行疲勞壽命分析，準(zhǔn)確進(jìn)行了故障再現(xiàn)。通過增大托盤底部圓周的倒角，改善了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中度，使得該托盤順利通過試驗(yàn)驗(yàn)證考核。本文為懸架類彈簧托盤減震器提供了一種可行有效的分析方法，同時(shí)針對(duì)相應(yīng)故障失效的優(yōu)化改進(jìn)方法對(duì)類似的工程問題也具有一定的參考指導(dǎo)意義。

[1] 劉真輝.汽車扭轉(zhuǎn)梁的疲勞分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].上海:上海交通大學(xué),2016.

[2] 謝鋒.汽車懸架控制臂的有限元分析及疲勞壽命預(yù)測[D].廣州:華南理工大學(xué),2016.

[3] 吳和興,劉洲,賴余東.某SUV尾門開關(guān)疲勞耐久分析及優(yōu)化[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,42 (5):85-88.

[4] 朱劍峰,林逸,張濤,等.基于虛擬臺(tái)架疲勞分析的副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2014,36(5):630-634.

[5] 鄧文英.金屬工藝學(xué)上冊[M].6版.北京:高等教育出版社,2017.

Fatigue Analysis and Optimization of Spring Tray of a Pickup Front Suspension

WANG Yuhang, QIU Xing, QIU Zufeng, JIA Huifang, MEI Qiuwu

( Product Research and Develepment Institute, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330052, China )

In order to solve the crack failure of spring tray of front suspension for a pickup in test rig fatigue test, firstly the FE model of damper spring tray was built, the stress history of tray was simulated in spring motion process between jounce and rebound, the fatigue life of tray was analyzed by applying Miner Counting Algorithm for acuminated fatigue analysis,and the failure was accurately reproduced. With the enlargement of tray chamfer, the tray has passed test rig experiment and also full vehicle road durability test, which has shown the engineering practicability of this methodology. This has a good guiding significance to the structure design of shock absorber.

Pickup front suspension; Failure of spring tray; Fatigue analysis; Computer aided engineering(CAE);Shock absorber structure optimization

TH16

A

1671-7988(2022)24-69-04

TH16

A

1671-7988(2022)24-69-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.012

王宇航（1984—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，E-mail:ywang7@jmc.com.cn。