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輕型電動(dòng)載貨車減磨板簧的設(shè)計(jì)與分析

2020-08-11 18:14:32·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：《北京汽車》  
　
作者：王 偉，王海艷丨一汽解放商用車由于電動(dòng)化部件替代內(nèi)燃機(jī)部件，較好地消除了內(nèi)燃機(jī)部件工作時(shí)的振動(dòng)及噪聲，導(dǎo)致普通少片板簧自身存在的不足突顯出來，如
作者：王 偉，王海艷丨一汽解放商用車 
由于電動(dòng)化部件替代內(nèi)燃機(jī)部件，較好地消除了內(nèi)燃機(jī)部件工作時(shí)的振動(dòng)及噪聲，導(dǎo)致普通少片板簧自身存在的不足突顯出來，如板間噪聲，嚴(yán)重降低了用戶滿意度。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種帶減磨墊的輕量化少片板簧，通過彈性特性試驗(yàn)及可靠性試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證分析。
 
1 減磨板簧設(shè)計(jì)
伴隨使用壽命和乘坐舒適性的提高以及達(dá)到輕量化的目的，少片板簧的應(yīng)用范圍得到迅速推廣。這種板簧被加工成中部厚兩端漸薄的形狀，為實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力通常設(shè)計(jì)成錐形，其形狀呈發(fā)射狀，也被稱為拋物線形鋼板彈簧。整個(gè)拋物線段都是高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)材料和加工缺陷敏感性較大，且拋物線形板簧制造困難，在實(shí)際使用中多采用梯形變截面板簧代替[3]；因此，采用梯形變截面板簧設(shè)計(jì)，其幾何形狀如圖1所示。
 
圖1 梯形變截面鋼板彈簧
圖1中，L1為板簧端部等厚長(zhǎng)度，L2為板簧中部等厚長(zhǎng)度，H1為板簧端部厚度，H2為板簧中部厚度，因板簧為對(duì)稱布置，L為板簧作用長(zhǎng)度的一半。
1.1 少片板簧輕量化
對(duì)于梯形變截面鋼板彈簧板簧，通常設(shè)計(jì)變量包括板簧片寬B，片數(shù)N，各片尺寸L、L1、L2、H1、H2共7個(gè)。針對(duì)某輕型電動(dòng)載貨車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，B=70 mm，L=640 mm，N=3，則輕量化設(shè)計(jì)變量共有4個(gè)，即
 （1）
 
為實(shí)現(xiàn)板簧輕量化目標(biāo)，在保證原板簧性能要求的條件下，以質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)[4]，即
（2）
 
式中：r為鋼板彈簧的密度，r=7.8E+06 kg/mm3。
依據(jù)參考文獻(xiàn)[3-6]介紹的少片變截面鋼板彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，在此主要考慮卷耳應(yīng)力、材料淬透性、行駛平順性、板簧強(qiáng)度要求以及L2與夾緊距半長(zhǎng)度間的約束條件，即
 （3）
 
式中：h1為端部允許的最小厚度；h2為中部允許的最大厚度；S為夾緊距；M為夾緊螺栓規(guī)格尺寸；k為彈簧剛度；K為設(shè)計(jì)要求剛度；Ke為剛度誤差；[s]為材料的許用應(yīng)力。
針對(duì)具有4個(gè)變量（x1，x2，x3，x4），3個(gè)線性不等式（式（3）中的前3項(xiàng)），2個(gè)非線性不等式（式（3）中的后2項(xiàng)）約束的單目標(biāo)最優(yōu)問題，選用Matlab函數(shù)fmincon。無論是何種類型的優(yōu)化問題，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為非線性時(shí)，需要編寫M文件定義目標(biāo)函數(shù)，同樣，當(dāng)存在非線性約束時(shí)，需要編寫?yīng)毩⒌腗文件定義約束條件。為了增強(qiáng)程序的通用性，一共編寫了4個(gè)M文件，分別為目標(biāo)函數(shù)文件myfun_leafspring（x），非線性約束條件文件con_leafspring（x），初始參數(shù)文件savedata_leafspring和調(diào)用命令文件fmincon_leafspring，如圖2所示。
 
圖2 輕量化程序
已知某輕型電動(dòng)載貨車用板簧的相關(guān)參數(shù)為：S=86 mm，M=16 mm，給定值K=191 N/mm，滿載軸荷為2 891 kg，非懸掛質(zhì)量為289 kg，[s]=420 MPa。
給定端部等厚最小允許厚度h1=8.5 mm，因板簧選用55CrMnA材料，最大允許淬透厚度h2= 16 mm，允許剛度誤差Ke=0.05，優(yōu)化取整后結(jié)果見表1。原彈簧質(zhì)量為26.27 kg，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，得到彈簧質(zhì)量為24.85 kg，下降了1.42 kg。
表1 鋼板彈簧輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果
 
1.2 減磨墊設(shè)計(jì)
在簧片間加裝非金屬降噪材料是解決板間噪聲、提升整車舒適性的有效方法，目前在很多高端商用車上得到廣泛應(yīng)用，其中橡膠襯墊由橡膠與單片或雙片金屬骨架通過硫化等工藝粘接為一體，如圖3所示。
 
圖3 橡膠襯墊
橡膠襯墊適用于尺寸B和L1較大、動(dòng)撓度較小的少片簧，價(jià)格較高。輕型電動(dòng)載貨車用板簧尺寸規(guī)格較小且實(shí)際工況的動(dòng)撓度較大，橡膠襯墊不是最佳選擇。結(jié)合輕型電動(dòng)載貨車用少片板簧的特點(diǎn)及成本因素，設(shè)計(jì)的減磨墊在結(jié)構(gòu)上采用一體成型，正面中部有長(zhǎng)圓凸臺(tái)，背面有凹槽，沿對(duì)角線均勻分布，如圖4所示。
 
圖4 減磨墊結(jié)構(gòu)
減磨墊凸臺(tái)與板簧第2、3片的長(zhǎng)圓孔采用小過盈配合，減磨墊凹槽面與板簧第1、2片的支撐面接觸，潤(rùn)滑油存儲(chǔ)于減磨墊凹槽內(nèi)，用于改善減磨墊與簧片間的摩擦，減磨片與板簧的具體裝配關(guān)系如圖5所示。
 
圖5 減磨墊與板簧裝配關(guān)系
除了結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系外，減磨墊材料選擇也是要點(diǎn)，尼龍66、改性聚氨酯材料已得到廣泛應(yīng)用，后者自潤(rùn)滑效果更好，但價(jià)格略高；因此選用某含碳纖維材料的改性聚氨酯作為試制材料，這種材料不僅具有聚氨酯材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本較低，試制樣件如圖6所示。
 
圖6 含碳纖維改性聚氨酯減磨墊制件
 
2 彈性特性試驗(yàn)分析
為了深入分析減磨墊對(duì)少片板簧彈性特性、可靠性的影響，共試制了18副少片板簧，其中，帶減磨墊板簧12副，不帶減磨墊板簧6副。
2.1 靜剛度試驗(yàn)分析
用施加在板簧上的力除以位移得到剛度。靜剛度是指靜止?fàn)顟B(tài)下施加力和位移的比值。按主機(jī)廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)汽車懸架用鋼板彈簧總成臺(tái)架試驗(yàn)要求進(jìn)行板簧靜剛度試驗(yàn)，采用位移諧波輸入，按驗(yàn)證負(fù)荷22 591 N的80%，即18 072.8 N進(jìn)行加載，獲得板簧靜剛度曲線及其擬合曲線，如圖7所示。1～3號(hào)為不帶減磨墊板簧，4～6號(hào)為帶減磨墊板簧。
 
 
注：x1、x2為板簧的位移；y1、y2為板簧的載荷。
圖7 1～6號(hào)板簧靜剛度試驗(yàn)結(jié)果
從圖7可以看出，不帶減磨墊的板簧靜剛度試驗(yàn)中，1號(hào)板簧擬合夾緊剛度為196.13 N/mm，與理論設(shè)計(jì)值191.7 N/mm誤差最大，誤差值為4.43 N/mm，誤差率為2.3%；帶減磨墊的板簧靜剛度試驗(yàn)中，6號(hào)板簧擬合夾緊剛度為195.41 N/mm，與理論設(shè)計(jì)值誤差最大，誤差值為3.71 N/mm，誤差率為1.9%。實(shí)際夾緊剛度與理論設(shè)計(jì)的誤差率在±6%的范圍內(nèi)為合格，減磨板簧的靜剛度曲線及擬合值滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2 動(dòng)剛度試驗(yàn)分析
動(dòng)剛度取決于系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和靜剛度。動(dòng)剛度不是一個(gè)常數(shù)，而是隨頻率變化而變化，是頻率的函數(shù)[7]；因此，板簧的動(dòng)剛度試驗(yàn)不僅要考慮載荷情況，還要考慮振動(dòng)頻率。已知某輕型電動(dòng)載貨車空載狀態(tài)的單側(cè)簧載質(zhì)量為780 kg，偏頻為2.48 Hz，因此選擇1 Hz、2.5 Hz和3.5 Hz作為空載振動(dòng)頻率輸入；滿載狀態(tài)下的單側(cè)簧載質(zhì)量為1 301 kg，偏頻為1.92 Hz，因此選擇1 Hz、2 Hz和3.5 Hz作為滿載振動(dòng)頻率輸入。在振動(dòng)幅值上均選擇1 mm、5 mm和10 mm作為輸入，板簧總成（以4號(hào)板簧總成為例）的動(dòng)剛度曲線及擬合曲線如圖8所示。
 
 
注：x1¢、x2¢、x3¢為板簧的位移；y1¢、y2¢、y3¢為板簧的載荷。
圖8 4號(hào)板簧動(dòng)剛度試驗(yàn)結(jié)果
從圖8可以看出，4號(hào)板簧動(dòng)剛度擬合值隨振動(dòng)幅值的增加而減小，并趨于靜剛度擬合值，隨振動(dòng)頻率的增加，動(dòng)剛度曲線的波動(dòng)隨之增大，其他板簧動(dòng)剛度試驗(yàn)總體趨勢(shì)與 4號(hào)板簧相似，一致性較好。針對(duì)減磨墊對(duì)動(dòng)剛度擬合值的影響進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果見表2、表3。
表2 擬合剛度統(tǒng)計(jì)表 N/mm
 
續(xù)表2 N/mm
 
表3 擬合剛度對(duì)比表 N/mm
 
由于試驗(yàn)曲線重合度高，擬合剛度曲線很難在圖8中進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)說明，在空載1 Hz，振幅1 mm、5 mm下，減磨板簧的擬合剛度依次為270.88 N/mm、201.28 N/mm，與普通板簧對(duì)應(yīng)擬合剛度296.16N/mm、204.88 N/mm相比，均更接近于理論設(shè)計(jì)值191.7 N/mm。在10 mm振幅下，前者擬合剛度為194.87 N/mm，后者為194.89 N/mm，兩者相當(dāng)，空載其他頻率下得到相同結(jié)論；在滿載狀態(tài)，除了2Hz，振幅5 mm下的數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)與空載狀態(tài)得出的結(jié)論一致。因此從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度得出結(jié)論：在1 mm、5 mm振幅下，帶減磨墊的板簧相比普通板簧，其剛度擬合值與理論設(shè)計(jì)值更加接近，在10 mm振幅下，兩者相當(dāng)。
3 可靠性試驗(yàn)分析
3.1 臺(tái)架驗(yàn)證分析
按照主機(jī)廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4～6號(hào)減磨板簧進(jìn)行垂直彎曲疲勞試驗(yàn)，采用位移正弦波輸入，試驗(yàn)變形最大值為108.08 mm，最小值為22.14 mm，如圖9所示。
 
圖9 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)
3副減磨板簧疲勞壽命試驗(yàn)次數(shù)均達(dá)到45萬次，仍未失效，試驗(yàn)終止。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)其進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)減磨墊幾乎沒有磨損，如圖10所示。
 
圖10 臺(tái)架試驗(yàn)后的減磨墊
3.2 整車驗(yàn)證分析
同批試制的減磨板簧在2臺(tái)輕型電動(dòng)載貨試驗(yàn)車上進(jìn)行了換裝，先后進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和強(qiáng)化道路試驗(yàn)。
感知室的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為：少片板簧加裝減磨墊，板間噪聲得到有效消除，但整車舒適性改善不明顯；試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化道路試驗(yàn)結(jié)果：2臺(tái)試驗(yàn)車均通過海南10 000 km壞路驗(yàn)證，減磨板簧未見異常。
4 結(jié)束語
針對(duì)輕型電動(dòng)載貨車用戶反饋的板間噪聲問題，設(shè)計(jì)了減磨板簧，不僅實(shí)現(xiàn)了簧片的輕量化，而且減磨墊的設(shè)計(jì)也嚴(yán)控成本增加。彈性特性試驗(yàn)分析表明，減磨板簧的彈性特性優(yōu)于普通少片板簧；可靠性驗(yàn)證分析表明，減磨板簧滿足使用壽命要求，同時(shí)可有效解決板間噪聲問題。 
 
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