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轻型商用车少片钢板弹簧疲劳裂纹扩展及动力学研究

刘成贵  
【摘要】:少片钢板弹簧用于连接商用车的车桥和车架,兼有减振与导向作用。少片簧疲劳裂纹的成核期(即疲劳源形成时间)较长,而从微裂纹聚合成宏观裂纹、直至板簧断裂失效只需要很短的时间,严重影响了汽车的行驶安全性。汽车行驶平顺性和操纵稳定性受钢板弹簧的工作特性影响较大,因此对安装在轻型商用车上的少片钢板弹簧进行疲劳裂纹扩展及其动力学方面的研究具有相当重要的意义。首先通过有限元软件对少片钢板弹簧进行建模,计算分析可以获得主簧片上的应力分布。仿照实车上少片簧的安装方法搭建板簧疲劳试验台架,在板簧上粘贴应变片和安装位移传感器;对板簧样品进行加载试验,测试主簧片上距离中心螺栓孔不同距离处的应力,采集并存储相关数据。对比验证发现少片钢板弹簧有限元分析与台架试验结果吻合良好,最大应力值出现在板簧的根部,整个簧片中部的应力值均较大。使用有限宽度的中心裂纹试样模型和线弹性力学方法处理数据,得到疲劳裂纹扩展速率最大处与此类板簧容易疲劳失效的位置一致。除此之外,发现板簧的卷耳和吊耳处并没有发生疲劳裂纹的扩展现象。然后,对随机路面的不平度进行了建模,作为输入激励信号,并且对四分之一车辆钢板弹簧进行了二自由度动力学建模。对在不同等级路面上行驶的车辆板簧中心螺栓孔相对车架的位移进行仿真分析,为实车试验中采集的位移数据提供参考。通过应力采集设备和位移传感器,实时采集实车道路试验应力和相对车架板簧中心螺栓孔处的位移数据。经减速带冲击工况试验得到板簧应力和疲劳裂纹扩展速率最大处,用此位置和距中心螺栓孔16mm处粘贴的应变片实时采集板簧应力,同时使用位移传感器实时采集中心螺栓孔相对车架的位移。基于裂纹尖端附近应力场及应力强度因子的方法对数据进行分析,最终完成7种工况的实车道路试验。通过分析结果可以看出,疲劳裂纹扩展速率较大的地方是在距离中心螺栓孔116mm处,与此类钢板弹簧容易发生疲劳故障的位置吻合;通过理论分析与试验,验证此方法可以应用于钢板弹簧疲劳裂纹扩展速率预测。通过对比实车道路和台架试验结果,找到完善台架试验的方法,使台架试验也可以更加精确的预测疲劳裂纹扩展速率。


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