工程自卸車鋼板彈簧總成設計研究與應用

徐世福，張帆，李鋒

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

前言

隨著國內工程自卸車的發展，工程自卸車的使用的工況比較復雜，主要在一些工況惡劣的環境下使用，目前，某系列工程自卸車鋼板彈簧總成出現批量承載能力不足、偏軟、在工況復雜的情況下會出現斷裂，造成工程自卸車性能不穩定，工程自卸車后懸架系統的鋼板彈簧總成的質量問題多，嚴重影響工程自卸車的使用性能，同時給工程自卸車運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 鋼板彈簧總成技術狀態以及問題描述

1.1.1 設計前鋼板彈簧總成的規格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；設計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 技術參數現狀分析

1.2.1 剛度失效原因分析

鋼板彈簧總成截面尺寸S=hxbxn，設計前的截面尺寸S=30x90x11=297cm2。

結論：鋼板彈簧總成設計截面積小，剛度太大，導致減震性大大降低，韌性和脆性降低，在驅動時又會增大鋼板彈簧總成的載荷，從而導致鋼板彈簧總成容易斷裂。

1.2.2 心部硬度現狀分析

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

結論：實際測量心部硬度平均值35.98，心部硬度偏小不滿足設計要求硬度在37.5-44.4 之間，實際測量硬度平均值332.6，硬度偏小不滿足設計要求硬度在365-421 之間。在生產制造工藝過程中，鋼板彈簧總成回火時間短、回火溫度低、回火的溶液質量低、淬火沒有淬透、元素含量沒有達到設計要求、回火的一致性的差距大，從而導致鋼板彈簧回火硬度偏軟，產品心部硬度值差異大，產品性能不穩定。

1.2.4 疲勞循環的現狀分析

圖5 疲勞循環概率圖

結論：實際測量疲勞循環平均值57948，疲勞循環偏小并且不滿足設計要求疲勞循環大于9 萬次。產品各種性能參數沒有達到設計要求，同時由于設計疲勞循環次數比較低，沒有達到產品在使用過程中的要求，造成了產品的性能不穩定。因此，導致產品的早期失效故障的發生。

綜合以上所述的技術參數情況分析可知，某系列性工程自卸車鋼板彈簧總成由于技術參數以及工藝沒有達到設計要求導致產品在使用過程中的質量問題。

2 工程自卸車鋼板彈簧總成開發設計

2.1 鋼板彈簧總成作用長度設計

圖6 鋼板彈簧總成作圖法設計圖

根據整車布置以及相應的技術參數分析：本產品鋼板彈簧總成系數取0.35，即L=5210X0.35=1823.5，根據設計方案可知有效L 最終取值為1560 計算，S=255，即L/2=1820/2=900，S/2=255/2=127.5。

2.2 鋼板彈簧總成片數n

根據工程自卸車市場的通用性、可制造性、可維護性最終確定鋼板彈簧總成的尺寸參數，多片鋼板彈簧一般片數在6～14 片之間選?。患丛O計鋼板彈簧總成的片數為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

根據修正后的簡支梁公式計算設計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（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。

根據鋼板彈簧總成截面系數Wo 式計算可知：

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

對于50CrVA 材料，表面經噴丸處理后推薦[σw]在下列范圍內選?。轰摪鍙椈煽偝蔀?70～600N／mm2；

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

根據設計規范要求鋼板彈簧總成h 應符合型材規格尺寸，因此推薦鋼板彈簧寬度設計值為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 范圍內的要求。

2.4 鋼板彈簧片厚h 的選擇

根據矩形斷面等厚鋼板彈簧總成的總慣性矩J 設計要求計算式可知，n 為鋼板彈簧片數。

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。

根據設計規范要求鋼板彈簧總成h 應符合型材規格尺寸，因此推薦設計值為22。

圖7 鋼板彈簧總成效果圖

結論：重新設計后鋼板彈簧總成的規格為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

通過重新對工程自卸車鋼板彈簧總成結構設計根本性的消除鋼板彈簧總成斷裂、承載能力不足、偏軟、在工況復雜的情況下會出現斷裂，造成工程自卸車性能不穩定，車輛故障頻繁問題，不改變現有的后平衡懸架結構的情況下達到通用化模塊化設計。提高車輛鋼板彈簧總成的強度，不出現開裂以及斷裂現象，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周期，降低生產成本，可以根據車輛工況以及鋼板彈簧的強度靈活調整整車的承載能力的設計方案，經過實際車輛驗證整車各個性能指標達到預期要求并且安全可靠，根據實際驗證計劃在工程自卸車上全面推廣體現。

整車在最大負載，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，處于平穩的狀態，不會產生變形，彎曲以及損壞；整車在最大負載，路面不平或坑洼的工況下，鋼板彈簧總成在瞬時沖擊力下，處于良好的運行狀態，不會產生變形，彎曲以及損壞。

4 結論

文章主要介紹了工程自卸車鋼板彈簧總成設計，通過此設計方案可以顯著的提高工程自卸車使用的安全性、可靠性、穩定性；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定性顯著提高、可靠性得到有效的改善、延長使用時間、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。