汽车钢板弹簧疲劳试验规程研究.doc

汽车钢板弹簧疲劳试验规程研究 邹辅平 （运城市空港开发区鼎森机械制造有限公司） 就目前而言，在中国的汽车钢板弹簧行业，对钢板弹簧的使用寿命性能指标的衡量，都是采用台架疲劳试验机来进行来进行检测的，其唯一参考的国家标准是GB/T 19844-2005 钢板弹簧。这个标准里面疲劳试验的规范要求很粗放，而实际上，对于不同的试验者由于对标准的理解不同，会存在试验规程上的差异，还有试验设备的不同，都会对试验结果带来误差，其最终结果是：对同一产品的评价，会产生不同的结果！ 为了施行统一的钢板弹簧疲劳寿命检验标准，就应从如下几个方面进行分析，统一思想，形成规范，以确保对钢板弹簧产品疲劳寿命的准确评价。 一、GB/T 19844-2005 钢板弹簧 标准中的误区和盲点 在4.6条中对疲劳寿命技术指标的描述中写到“在应力幅为323.62Mpa(3300kgf/cm2)、最大应力为833.5Mpa（8500kgf/cm2）的试验条件下，钢板弹簧的疲劳寿命应不小于8万次”在这个表述中对试验条件一带而过，为此，该标准就增加了一个“附录A（规范性附录） 汽车用钢板弹簧台架试验方法”。即便如此，该标准对钢板弹簧的试验规范的规定仍然存在如下忙点： 1、在计算钢板弹簧的比应力时，如何规范弹性模量E的取值？对于双槽钢材料截面而言，如何计算根部断面系数和惯性矩？由于大家的理解和认识的不同，计算出来的比应力值就会有差异，最后所得到的预加变形量和振幅就会不同，试验结果就会出现差异。 2、试验脉动频率未做规定，这显然会带来试验频率越高，试验结果越差，反之，频率越低，疲劳寿命就会越长，其结果是不能够真实的反映客观实际。 3、原标准中仅仅只对产品的试验温升不能超过150做出了规定，而没有对如何统一降温措施和方法做出规定，就会使得150这个参数形同虚设，因为，在实际操作过程中，根本没办法直接测出产品片间的实际温度。另一方面，风冷与水冷的效果是会有很大差异的，因此，看似有规定的试验，如果采取了不同的降温措施，所得到的试验结果也是会有所不同的。 钢板弹簧疲劳试验除了上述三个方面的忙点之外，还可能存在如下两个方面的误区： 1、振幅的计算 根据标准的规定，理应按下式计算振幅值： 式中：为脉动振幅，单位为cm； 为比应力，单位是：kgf/cm3 如果把标准中所规定的应力幅值：3300kgf/cm2理解为最小应力，那么振幅的计算就会得到如下的错误结果： 显然，此计算结果比正确结果扩大了1.79倍。 2、总成的模拟装车夹紧方式，与功能上类似的安装夹紧方式是有区别的，从比应力的计算公式 不难看出：比应力与总成的有效长度L的平方是成正比例的，如果，总成在中间夹紧的夹具长度及形状存在不规范，对钢板弹簧总成的实际比应力的影响是很大的，为了消除这种人为的影响，只能规定每种总成的夹紧方式必须符合总成的实际装车模式。 综上所述，笔者建议尽快修订完善钢板弹簧疲劳试验标准。 二，汽车钢板弹簧疲劳试验前的相关计算 1、基本计算公式： 对于普通对称式、平扁钢截面的多片簧钢板弹簧，公式（1）是适用的，并且，根据GB/T 19844-2005 钢板弹簧 标准的规定，当板簧单片的截面厚度14mm时，其比应力的计算结果需要扩大1.05倍，即： 式中：E弹性模量，E的取值为2100000kgf/cm2； Le为有效长度，Le=L-0.5S（S为模拟装车夹紧长度）、单位为cm； I0为总成根部惯性矩，的计算，按下式计算： 根据根部断面系数W0与惯性矩I0的关系，板簧根部总惯性矩Wo可按下式计算，： 式中：h为单片钢板的厚度，单位是cm； B为单片钢板的宽度，单位是cm； n为钢板弹簧总成的片数，无量纲。 公式（3）和（4）是假设材料截面为完整矩形截面时所得到的结果，而实际上弹簧扁钢根据GB/T 1222-2007 弹簧钢 标准的要求，其截面图形有如下两种形状： 由于材料的实际截面有两种情况，一为平面弹簧扁钢（见图A.1）；另一种截面则是单面双槽钢，并且在宽度方向的两端面存在圆弧，且圆弧半径最小为1/2板厚，最大为板厚，此时，如果仍按公式（3）和（4）来计算惯性矩I和断面系数W的话，显然会产生较大误差，因此，这就需要我们来分别不同状况选择合适的计算方法来统一计算I0值和W0值。 2、平面弹簧扁钢的惯性矩I0和断面系数W0的计算 当圆弧R=h/2时，我们可以采用将该截面分解成一个矩形和一个圆来求解整个截面的惯性矩： 式中：h为板簧厚度，单位是cm； B 为板簧宽度，单位是cm； I0为惯性矩，单位是cm4； 公式（5）只能很方便的求出，当R=h/2时的最小截面积的惯性矩，要想求出当R=h时的最大截面积的惯性矩公式推导相当复杂，我们不妨采用由CAD作图法所得到的惯性矩，并通过统计分析而推导出的近似公式来计算。既然，原材料在轧制过程中其边缘的R值是不确定的，我们可以取其算术平均值来统一计算见公式（6）： 此公式是由如下推导公式得来的： 根部断面系数可按公式（7）计算： 3、单面双槽钢的计算 单面双槽钢是在平面弹簧扁钢的基础上，开了两个槽，槽型虽然一样，但面积大小是随着板厚和板宽的变化而变化的，其惯性矩的计算就更为复杂，为了能推导出一套简便的计算方法，我们还是得借助CAD作图法来取得一个计算简便的公式。 钢板宽度为75mm系列的双槽钢： 钢板宽度为90mm系列的双槽钢： 钢板宽度为100mm系列的双槽截面，由于在GB/T 1222-2007 弹簧钢 标准中没有给出槽型尺寸，我们暂且按照槽间距b=34；槽宽b1=17；侧面斜角仍为300，通过CAD作图，得到如下计算公式： 公式（8）、（9）、（10）也是根据当R=h/2和R=h时两个极端截面状态下所得到的惯性矩的算术平均值，式中的B、h的单位是mm，如果单位cm，则应按公式（11）、（12）、（13）来计算I0。断面系数W0仍按公式（7）来计算。常用截面的惯性矩和断面系数详见附表一和附表二。 钢板宽度为75mm系列的双槽钢： 钢板宽度为90mm系列的双槽钢： 钢板宽度为100mm系列的双槽截面，由于在GB/T 1222-2007 弹簧钢 标准中没有给出槽型尺寸，我们暂且按照槽间距b=34；槽宽b1=17；侧面斜角仍为300，通过CAD作图，得到如下计算公式： 只有统一了惯性矩和断面系数的计算，我们才能按照公式（1）得到统一的 比应力值的大小，从而得到准确的预加变形量和振幅值。 4、试验振幅Fa 试验中的振幅，就是根据GB/T 19844-2005 钢板弹簧标准，取值应力幅3300kg.f/ch2与计算的总成比应力值的比值（14）。实际操作过程中就是调整试验机的偏心距。 5、最大变形量Fmax、最小变形量Fmin和脉动中心Fm 试验中的最大变形量Fmax，就是根据GB/T 19844-2005 钢板弹簧标准，取值最大应力8500kg.f/ch 2与计算的总成比应力值的比值（15）。实际操作过程中就是调整好试验机的偏心距之后，将偏心臂垂直向下，使装夹好的弹簧总成的夹具上表面刚好与压头接触，开始往上调整试验工作台至此计算值为止。 最小变形量Fmin也就是预加变形量，调整时，当调整好最大变形量之后，再将偏心臂旋转至垂直向上的位置，此时的总成变形量正好是预加变形量的值（16）：（此值与最大变形量只需调整一次即可） 脉动中心Fa就是当试验机的偏心臂处在水平位置时，弹簧总成的变形量公式（17）： 三、脉动频率f 由于在GB/T 19844-2005 钢板弹簧 标准中，对试验的脉动频率f没有做出规定 ，自然就会各自为阵，试验结果 会随着试验脉动频率的增高而减小，笔者建议，在修订该标准时应加入试验的脉动频率要求，最好统一为1Hz。 四、试验中的停顿时间也要做出规定，试验中会出现夹紧状态的调整、观察裂纹、设备故障处理、休息等各种停机现象，长时间的停机不符合连续试验的规定，实际工作中又不得不停机，因此，要对停机时间做出规定，最好不要超过1小时。 二一五年七月十六日 附表一： 附表二：