某皮卡前悬架弹簧托盘疲劳分析及优化

王宇航，邱 星，邱祖峰，贾慧芳，梅秋武

某皮卡前悬架弹簧托盘疲劳分析及优化

王宇航，邱 星，邱祖峰，贾慧芳，梅秋武

（江铃汽车股份有限公司 产品研发总院，江西 南昌 330052）

为解决某皮卡前弹簧减震器总成台架疲劳试验中弹簧托盘的开裂失效问题，首先用有限元技术建立弹簧减震器托盘模型，模拟得到弹簧减震器在拉升、压缩工作过程中托盘应力，然后运用Miner线性累加损伤方法对托盘进行疲劳分析，实现故障再现。通过增大托盘冲压型面倒圆角，使其通过了台架试验及整车道路耐久试验，表明了此方法的工程有效性。该方法对减震器结构设计具有很好的指导意义。

皮卡前悬架；弹簧托盘开裂；疲劳分析；计算机辅助工程（CAE）；减震器结构优化

当前皮卡销量逐年递增，因其多功能、越野能力较强、舒适性和操控性较好，商用和家用都很受消费者欢迎。图1为皮卡双叉臂前独立悬架弹簧减震器总成。作为汽车重要组成部件，按照目前汽车行业内普遍应用的V型开发流程，底盘系统需要先经过台架耐久试验，再经过整车道路耐久试验验证才能最终完成冻结。在各种严酷的开发试验中，其常见的失效模式主要为强度失效和疲劳耐久失效，常表现为减震器漏油、弹簧托盘开裂、异响等。本文主要研究弹簧托盘的疲劳耐久失效及其解决方法。

疲劳分析需要三个输入条件：几何体的有限元分析结果、材料的疲劳曲线、载荷谱[1]。减震器弹簧托盘的疲劳分析难点在于获取准确完整的托盘应力时间历程，弹簧在压缩、释放过程中发生大变形，与托盘的实际接触面积也是实时改变。这些都需要进行细致的计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）建模论证。针对此问题，本文基于悬架运动规律，基于自由状态弹簧分别加载到上跳极限、设计状态、下跳极限三种状态，截取相应的托盘应力变化过程构建弹簧的整个过程中完整的托盘应力幅变化过程，然后共同用于托盘疲劳分析。

图1 某皮卡前弹簧减震器总成

1 有限元建模

1.1 建立有限元模型

该皮卡前减震器弹簧总成主要由减震器、螺旋弹簧、托盘、上支座、限位块组成。弹簧托盘支架重量为0.42 kg，支架厚度为3.2 mm，其材料为SAPH440（抗拉强度为440 MPa）。托盘及套筒用单元尺寸约3 mm三角形及四边形壳混合单元对其进行网格划分，自由状态弹簧采用2.5 mm的六面体单元进行网格划分，同时进行弹簧刚度的对标，从弹簧形状及弹簧刚度上来提升弹簧与托盘接触受力的分析精度，弹簧上盖用四面体单元建模；托盘与套筒用六面体及Dcoup3D模拟焊缝连接，弹簧与托盘通过设置接触模拟其实际运动关系，减震器套筒两端用Rigid单元连接用于对整个模型进行全约束；以减震器活塞杆轴线上的点为主点，弹簧上盖中心的Rigid的单元主点用于加载悬架行程位移，方向沿减震器活塞杆轴线指向托盘。设置ABAQUS载荷步相关参数，注意本分析需要勾选几何非线性选项。至此建立该皮卡前悬减震器弹簧托盘总成完整有限元模型，如图2所示。其中单元总数为6 642，节点总数为7 448。

图2 减震器弹簧托盘有限元模型

1.2 应力分析结果

悬挂系统弹簧运动形成一般用三个位置状态来定义：车轮上跳极限位置jounce状态、车轮下跳极限位置即rebound状态、处于上下跳极限中间的由车企自定义的一个载荷状态即design。在采用ABAQUS求解器进行静力学分析，计算该减震器弹簧托盘有限元模型在designjounce ebound三个弹簧压缩状态之间工作过程下托盘受力情况，输出对应每个工作区间下的应力信息，如图3、图4、图5所示为三个状态时刻的托盘应力情况。design状态托盘最大应力为209.3 MPa；jounce状态托盘最大应力为288.1 MPa；rebound状态托盘最大应力为143.1 MPa，三种状态下最大应力位置都在托盘底部倒圆圆周处。

图3 弹簧在design压缩状态下托盘应力结果

图4 弹簧在jounce压缩状态下托盘应力结果

图5 弹簧在rebound压缩状态下托盘应力结果

2 疲劳寿命分析

2.1 金属疲劳损伤累积理论

机械零件即使在许用安全系数以内使用也可能会产生开裂、断裂等失效故障，过往很多研究已经证明这些失效是疲劳损伤的累积造成的。所谓疲劳损伤，是指金属零部件在循环载荷作用下材料的微观结构的变化及其形成的裂纹形核和扩展[2]。疲劳损伤累积是由随机载荷或者循环载荷反复加载下产生的。

材料在恒定载荷循环加载下，每次循环造成损伤=1/，是给定应力水平下材料的疲劳寿命。次循环载荷所产生的损伤为，经推导后变幅载荷下的总损伤值为

（1）

式中，为变幅载荷的应力水平级数；n为第级载荷下的循环次数；N为第级载荷下的疲劳寿命。当损伤累计达临界损伤值f时，即=f时，将发生疲劳失效[3]。将各个应力幅值下的损伤累加起来就得到零件的总损伤，当总损伤超过临界损伤时零件发生疲劳失效。这就是Miner线性疲劳累积损伤理论及疲劳失效准则。

2.2 弹簧托盘疲劳寿命分析

使用通过静力学分析已获得的designjounce rebound载荷历程下弹簧托盘的应力幅，结合托盘材料的曲线，通过Miner线性累加损伤法[4]，计算出托盘循环使用寿命为303 665次，如图6所示，不满足台架DV试验循环次数大于次数500 000次的设计要求。

图6 原故障方案托盘疲劳寿命结果

图7 实际托盘台架疲劳试验

图8 实际托盘台架疲劳试验开裂结果

弹簧减震器托盘台架疲劳试验（如图7所示）中进行到284 342次循环时，托盘出现开裂失效（如图8所示）。模拟疲劳分析的危险区域及寿命与实际台架试验的结果均很接近，说明该疲劳分析模型可以支持相关工程性能评估及改进。

2.3 优化改进

通过分析该新开发托盘失效原因，排除了材料、制造工艺、形状误差等因素，通过类比过往近似车型的弹簧托盘结构，发现当前故障托盘底部圆周的冲压倒角为R3 mm，而过往量产类似车型倒角为R7 mm。结合冲压工艺考虑，冲压件的圆角半径太小，会造成圆角局部减薄超标，容易造成圆角区域开裂[5]。因此本文提出将原方案底部圆周倒角由R3 mm增大到R7 mm的改进方案进行疲劳分析，结果显示该优化方案循环使用寿命为546 471次，如图9所示，满足设计要求。

图9 优化改进方案托盘疲劳寿命结果

3 试验验证

基于理论优化方案制作样件，按照企业相关试验标准进行实际效果验证。试验结果显示该优化方案在达到设计要求循环次数时，托盘未出现开裂失效问题，满足了设计要求，验证了优化方案的有效性。

4 结论

本文针对某皮卡前悬减震器弹簧托盘台架疲劳试验托盘开裂失效问题，建立了弹簧及托盘的有限元模型，巧妙地通过分析得到弹簧在悬架行程上极限、设计载荷、下跳极限整个加载历程下托盘应力，运用Miner线性累加疲劳损伤法进行疲劳寿命分析，准确进行了故障再现。通过增大托盘底部圆周的倒角，改善了风险区域的应力集中度，使得该托盘顺利通过试验验证考核。本文为悬架类弹簧托盘减震器提供了一种可行有效的分析方法，同时针对相应故障失效的优化改进方法对类似的工程问题也具有一定的参考指导意义。

[1] 刘真辉.汽车扭转梁的疲劳分析与结构改进[D].上海:上海交通大学,2016.

[2] 谢锋.汽车悬架控制臂的有限元分析及疲劳寿命预测[D].广州:华南理工大学,2016.

[3] 吴和兴,刘洲,赖余东.某SUV尾门开关疲劳耐久分析及优化[J].井冈山大学学报(自然科学版),2021,42 (5):85-88.

[4] 朱剑峰,林逸,张涛,等.基于虚拟台架疲劳分析的副车架结构改进设计[J].汽车工程,2014,36(5):630-634.

[5] 邓文英.金属工艺学上册[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，硕士，工程师，研究方向为汽车底盘结构设计及优化，E-mail:ywang7@jmc.com.cn。