汽车钢板弹簧疲劳试验规程研究

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/cm 2) 、最大应力为833.5Mpa（8500kgf/cm 2）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/cm 2；
L e—为有效长度，Le=L-0.5S （S为模拟装车夹紧长度）、单位为cm；
∑I 0—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I 0 的关系，板簧根部总惯性矩∑Wo可按下式计算，：
是cm；
式中：h—为单片钢板的厚度，单位
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。

实
，而公式（3）和（4）是假设材料截面为完整矩形截面时所得到的结果
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I 0 值和W0 值。

2、平面弹簧扁钢的惯性矩I 0 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 ；
I 0—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I 0。

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/ch 2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。

二〇一五年七月十六日
附表一：
附表二：。