汽車鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)規(guī)程研究報(bào)告

汽車鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)規(guī)程研究鄒輔平〔市空港開發(fā)區(qū)鼎森機(jī)械制造〕就目前而言，在中國的汽車鋼板彈簧行業(yè)，對鋼板彈簧的使用壽命性能指標(biāo)的衡量，都是采用臺架疲勞試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)展來進(jìn)展檢測的，其唯一參考的國家標(biāo)準(zhǔn)是"GB/T19844-2005"鋼板彈簧。這個標(biāo)準(zhǔn)里面疲勞試驗(yàn)的規(guī)要求很粗放，而實(shí)際上，對于不同的試驗(yàn)者由于對標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，會存在試驗(yàn)規(guī)程上的差異，還有試驗(yàn)設(shè)備的不同，都會對試驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，其最終結(jié)果是：對同一產(chǎn)品的評價(jià)，會產(chǎn)生不同的結(jié)果！為了施行統(tǒng)一的鋼板彈簧疲勞壽命檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)從如下幾個方面進(jìn)展分析，統(tǒng)一思想，形成規(guī)，以確保對鋼板彈簧產(chǎn)品疲勞壽命的準(zhǔn)確評價(jià)。一、"GB/T19844-2005"鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)中的誤區(qū)和盲點(diǎn)在4.6條中對疲勞壽命技術(shù)指標(biāo)的描述中寫到“在應(yīng)力幅為323.62Mpa(3300kgf/cm2)、最大應(yīng)力為833.5Mpa〔8500kgf/cm2〕的試驗(yàn)條件下，鋼板彈簧的疲勞壽命應(yīng)不小于8萬次〞在這個表述中對試驗(yàn)條件一帶而過，為此，該標(biāo)準(zhǔn)就增加了一個“附錄A〔規(guī)性附錄〕汽車用鋼板彈簧臺架試驗(yàn)方法〞。即便如此，該標(biāo)準(zhǔn)對鋼板彈簧的試驗(yàn)規(guī)的規(guī)定仍然存在如下忙點(diǎn)：1、在計(jì)算鋼板彈簧的比應(yīng)力時，如何規(guī)彈性模量E的取值？對于雙槽鋼材料截面而言，如何計(jì)算根部斷面系數(shù)和慣性矩？由于大家的理解和認(rèn)識的不同，計(jì)算出來的比應(yīng)力值就會有差異，最后所得到的預(yù)加變形量和振幅就會不同，試驗(yàn)結(jié)果就會出現(xiàn)差異。2、試驗(yàn)脈動頻率未做規(guī)定，這顯然會帶來試驗(yàn)頻率越高，試驗(yàn)結(jié)果越差，反之，頻率越低，疲勞壽命就會越長，其結(jié)果是不能夠真實(shí)的反映客觀實(shí)際。3、原標(biāo)準(zhǔn)中僅僅只對產(chǎn)品的試驗(yàn)溫升不能超過150℃做出了規(guī)定，而沒有對如何統(tǒng)一降溫措施和方法做出規(guī)定，就會使得150℃這個參數(shù)形同虛設(shè)，因?yàn)?，在?shí)際操作過程中，根本沒方法直接測出產(chǎn)品片間的實(shí)際溫度。另一方面，風(fēng)冷與水冷的效果是會有很大差異的，因此，看似有規(guī)定的試驗(yàn)，如果采取了不同的降溫措施，所得到的試驗(yàn)結(jié)果也是會有所不同的。鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)除了上述三個方面的忙點(diǎn)之外，還可能存在如下兩個方面的誤區(qū)：1、振幅的計(jì)算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，理應(yīng)按下式計(jì)算振幅值：式中：為脈動振幅，單位為cm；為比應(yīng)力，單位是：kgf/cm3如果把標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的應(yīng)力幅值：3300kgf/cm2理解為最小應(yīng)力，則振幅的計(jì)算就會得到如下的錯誤結(jié)果：顯然，此計(jì)算結(jié)果比正確結(jié)果擴(kuò)大了1.79倍。2、總成的模擬裝車夾緊方式，與功能上類似的安裝夾緊方式是有區(qū)別的，從比應(yīng)力的計(jì)算公式不難看出：比應(yīng)力與總成的有效長度L的平方是成正比例的，如果，總成在中間夾緊的夾具長度及形狀存在不規(guī)，對鋼板彈簧總成的實(shí)際比應(yīng)力的影響是很大的，為了消除這種人為的影響，只能規(guī)定每種總成的夾緊方式必須符合總成的實(shí)際裝車模式。綜上所述，筆者建議盡快修訂完善鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。二，汽車鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)前的相關(guān)計(jì)算1、根本計(jì)算公式：對于普通對稱式、平扁鋼截面的多片簧鋼板彈簧，公式〔1〕是適用的，并且，根據(jù)"GB/T19844-2005"鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)板簧單片的截面厚度≥14mm時，其比應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果需要擴(kuò)大1.05倍，即：式中：E—彈性模量，E的取值為2100000kgf/cm2；Le—為有效長度，Le=L-0.5S〔S為模擬裝車夾緊長度〕、單位為cm；∑I0—為總成根部慣性矩，的計(jì)算，按下式計(jì)算：根據(jù)根部斷面系數(shù)W0與慣性矩I0的關(guān)系，板簧根部總慣性矩∑Wo可按下式計(jì)算，：式中：h—為單片鋼板的厚度，單位是cm；B—為單片鋼板的寬度，單位是cm；n—為鋼板彈簧總成的片數(shù)，無量綱。公式〔3〕和〔4〕是假設(shè)材料截面為完整矩形截面時所得到的結(jié)果，而實(shí)際上彈簧扁鋼根據(jù)GB/T1222-2007彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)的要求，其截面圖形有如下兩種形狀：由于材料的實(shí)際截面有兩種情況，一為平面彈簧扁鋼〔見圖A.1〕；另一種截面則是單面雙槽鋼，并且在寬度方向的兩端面存在圓弧，且圓弧半徑最小為1/2板厚，最大為板厚，此時，如果仍按公式〔3〕和〔4〕來計(jì)算慣性矩I和斷面系數(shù)W的話，顯然會產(chǎn)生較大誤差，因此，這就需要我們來分別不同狀況選擇適宜的計(jì)算方法來統(tǒng)一計(jì)算I0值和W0值。平面彈簧扁鋼的慣性矩I0和斷面系數(shù)W0的計(jì)算當(dāng)圓弧R=h/2時，我們可以采用將該截面分解成一個矩形和一個圓來求解整個截面的慣性矩：式中：h—為板簧厚度，單位是cm；B—為板簧寬度，單位是cm；I0—為慣性矩，單位是cm4；公式〔5〕只能很方便的求出，當(dāng)R=h/2時的最小截面積的慣性矩，要想求出當(dāng)R=h時的最大截面積的慣性矩公式推導(dǎo)相當(dāng)復(fù)雜，我們不妨采用由CAD作圖法所得到的慣性矩，并通過統(tǒng)計(jì)分析而推導(dǎo)出的近似公式來計(jì)算。既然，原材料在軋制過程中其邊緣的R值是不確定的，我們可以取其算術(shù)平均值來統(tǒng)一計(jì)算見公式〔6〕：此公式是由如下推導(dǎo)公式得來的：根部斷面系數(shù)可按公式〔7〕計(jì)算：3、單面雙槽鋼的計(jì)算單面雙槽鋼是在平面彈簧扁鋼的根底上，開了兩個槽，槽型雖然一樣，但面積大小是隨著板厚和板寬的變化而變化的，其慣性矩的計(jì)算就更為復(fù)雜，為了能推導(dǎo)出一套簡便的計(jì)算方法，我們還是得借助CAD作圖法來取得一個計(jì)算簡便的公式。鋼板寬度為75mm系列的雙槽鋼：鋼板寬度為90mm系列的雙槽鋼：鋼板寬度為100mm系列的雙槽截面，由于在GB/T1222-2007彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出槽型尺寸，我們暫且按照槽間距b=34；槽寬b1=17；側(cè)面斜角仍為300，通過CAD作圖，得到如下計(jì)算公式：公式〔8〕、〔9〕、〔10〕也是根據(jù)當(dāng)R=h/2和R=h時兩個極端截面狀態(tài)下所得到的慣性矩的算術(shù)平均值，式中的B、h的單位是mm，如果單位cm，則應(yīng)按公式〔11〕、〔12〕、〔13〕來計(jì)算I0。斷面系數(shù)W0仍按公式〔7〕來計(jì)算。常用截面的慣性矩和斷面系數(shù)詳見附表一和附表二。鋼板寬度為75mm系列的雙槽鋼：鋼板寬度為90mm系列的雙槽鋼：鋼板寬度為100mm系列的雙槽截面，由于在GB/T1222-2007彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出槽型尺寸，我們暫且按照槽間距b=34；槽寬b1=17；側(cè)面斜角仍為300，通過CAD作圖，得到如下計(jì)算公式：只有統(tǒng)一了慣性矩和斷面系數(shù)的計(jì)算，我們才能按照公式〔1〕得到統(tǒng)一的比應(yīng)力值的大小，從而得到準(zhǔn)確的預(yù)加變形量和振幅值。試驗(yàn)振幅Fa試驗(yàn)中的振幅，就是根據(jù)"GB/T19844-2005"鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)，取值應(yīng)力幅3300kg.f/ch2與計(jì)算的總成比應(yīng)力值的比值〔14〕。實(shí)際操作過程中就是調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的偏心距。最大變形量Fma*、最小變形量Fmin和脈動中心Fm試驗(yàn)中的最大變形量Fma*，就是根據(jù)"GB/T19844-2005"鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)，取值最大應(yīng)力8500kg.f/ch2與計(jì)算的總成比應(yīng)力值的比值〔15〕。實(shí)際操作過程中就是調(diào)整好試驗(yàn)機(jī)的偏心距之后，將偏心臂垂直向下，使裝夾好的彈簧總成的夾具上外表剛好與壓頭接觸，開場往上調(diào)整試驗(yàn)工作臺至此計(jì)算值為止。最小變形量Fmin也就是預(yù)加變形量，調(diào)整時，當(dāng)調(diào)整好最大變形量之后，再將偏心臂旋轉(zhuǎn)至垂直向上的位置，此時的總成變形量正好是預(yù)加變形量的值〔16〕：〔此值與最大變形量只需調(diào)整一次即可〕脈動中心Fa就是當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的偏心臂處在水平位置時，彈簧總成的變形量公式〔17〕：脈動頻率f由于在"GB/T19844-2005"鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)中，對試驗(yàn)的脈動頻率f沒有做出規(guī)定，自然就會各自為陣，試驗(yàn)結(jié)果會隨著試驗(yàn)脈動