圆柱螺旋弹簧端面接触形式对其疲劳寿命的影响毕业论文.docx

2014届本科生毕业设计（论文）毕业设计(论文)题目圆柱螺旋弹簧端面接触形式对其疲劳寿命的影响学生姓名xx专业班级xx所在院系 xxxx学院指导教xx职称 x教授所在单位xxxxxx摘要 随着铁路跨越式发展，近年来，各弹簧厂在工装制备、质量保障体系、制造工艺等各方面均有长足的进步，产品质量有了很大的提高，为延长弹簧质量保证期奠定了技术基础。目前执行铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧技术条件，铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧保质期为9年（一个厂修期），弹簧疲劳试验次数为300万次。转K2弹簧是火车转K2型转向架上的重要配件。它主要起承载、减振作用，是保证火车正常运行、避免灾难性事故发生的重要配件。因此，提高弹簧的质量无疑是十分重要的。但是，弹簧的过早断裂、磨损、腐蚀、弹力不足（松弛）及变形等失效，也是经常发生的。很显然，在上述各种失效中，以突然脆断所造成的危害性最为严重。本课题通过运用试验检验分析及CAE有限元计算分析的方法，对铁路转向架弹簧失效进行对比分析，主要研究了弹簧端圈结构形式对弹簧端圈与相邻有效圈间工作接触应力的影响，提出弹簧端圈可靠性设计方案。因此，制造工艺对端面接触形式的复检非常严格，不符合支撑圈的弹簧绝不能生产。通过对弹簧的各种疲劳断裂的原因分析，找出影响弹簧疲劳寿命的因素。有加热温度、装炉料、淬火温度、介质的选择、回火温度等，因此制造工艺都有明确的规定。本论文通过对弹簧端面接触形式的研究得出，碾尖尖部应尽量与弹簧的螺旋升角一致，并且尖部应平整圆滑，避免弹簧工作时发生局部点接触。找出合理的端面接触形式能提高弹簧的使用寿命，因此在制造工艺中也对其做了明确的规定。关键字：圆柱螺旋弹簧；端面接触形式；疲劳寿命；碾尖ABSTRACTWith the railway by leaps and bounds in recent years, each spring plant preparation in all aspects of tooling, quality assurance systems, manufacturing processes have made great progress, product quality has been greatly improved, in order to extend the period of spring to lay the technical quality assurance foundation. Currently running railway wagon bogies helical springs and technical conditions, railway wagon bogies helical springs shelf life of 9 years (a factory warranty period), spring fatigue testing frequency is 300 million times. Spring is the turn of K2 on K2 bogie train an important accessory. It is mainly from the hosts, damping effect, is to ensure the normal operation of the train to avoid the important parts of a catastrophic accident. Therefore, to improve the quality of the spring is undoubtedly very important. However, premature spring break, wear, corrosion, lack of elasticity (relaxation) and deformation failure is a common occurrence. Obviously, in the above fail, the danger of a sudden to brittle fracture caused by the most serious. Approach this subject through the use of tests and test analysis CAE finite element analysis of railway bogie spring failure were analyzed, studied the influence of the spring form ring structures work side contact stress between adjacent active spring end ring and ring, proposed spring end ring reliability design. Therefore, the manufacturing process for face contact in the form of re-examination is very strict, does not comply with the spring support ring must not be produced. Through a variety of reasons spring fatigue fracture analysis to identify factors that affect the fatigue life of the spring. Heating temperature, loading charge, quenching temperature, the medium of choice, tempering temperature, so the manufacturing process are clearly defined. In this paper, a local point of contact occurs through the study of spring come face contact form, grind the Ministry should be consistent with the sharp spring helix angle, and the tip should be smooth and sleek, avoid spring work. Contact form to find reasonable end face can improve the life of the spring, so the manufacturing process is also made clear its provisions. Keywords:helical springs; face contact form; fatigue life; grind tip 第1章 绪论1.1课题的来源及意义 弹簧是一种利用材料特性和结构特点，在工作中通过较大的变形储存和释放能量的一种机械零件。近年来，对圆柱螺旋弹簧的研究和应用迅速发展，其圆柱螺旋弹簧因其他独有的优点而突出里其应用地位，在我国铁道车辆中应用的最为广泛，比其他种类弹簧更能满足铁路车辆的需要，而成为弹簧系列中研究更深的对象。圆柱螺旋弹簧应用广泛，弹簧的类型很多，按其承受载荷的性能可分为螺旋压缩、螺旋拉伸和螺旋扭转弹簧等，其中圆柱螺旋压缩弹簧是目前用量最大的一种，约占弹簧总量的2/3。圆柱螺旋弹簧由于调节性能精密，即作用力与位移的关系非常灵敏；柔软性能好，即变形的范围相对较宽；制造比较容易；结构比较紧凑【1】；能源利用率高等一系列优点在轨道机车车辆减振中得到广泛应用，它的运行可靠关系到机车车辆运行的可靠舒适等。我国在21世纪初开始大力研究弹簧的各种性能以延长它的工作次数来提高它的疲劳寿命，在疲劳寿命寿命方面取得较大的进展。圆柱螺旋弹簧已由过去的几十万次工作次数而提高到现在的几百万次甚至更高的工作次数，这是弹簧领域的巨大进步。天津装备厂制造的弹簧大多用于客运机车的转向架处，因此对于弹簧各方面的性能要求非常严格，不允许有丝毫的问题出现。因此我们研究圆柱螺旋弹簧显得尤为重要。 本课题是研究圆柱螺旋弹簧端面接触形式对其疲劳寿命的影响。1.2铁路轨道机车车辆用一、二系悬挂圆柱螺旋弹簧研究现状及应用在铁路技术引进前，由于机车车辆运行速度低，对弹簧质量要求相对较低，对弹簧早期失效破坏鲜有研究，且由于当时工艺手段相对落后，疲劳破坏多发生于弹簧工作圈，所以传统的弹簧设计及工艺控制多是针对弹簧工作圈的应力。目前，铁路客车制造过程中，广泛采用了两系弹簧装置承载和减振，圆柱螺旋弹簧作为走行部关键部位，其质量特性对车辆的动力学性能和运行品质有着重要的影响。现在的弹簧设计对弹簧的支承圈也提出了更大的要求。在制造过程中，应该避免对弹簧表面的损伤，支承圈末端与工作圈之间的间隙不能过小。当支撑圈与相邻工作圈间隙偏小时，在重载情况下，弹簧端圈支承部位与邻圈发生接触，易在邻圈圆弧面产生局部挤压损伤，引发应力集中，造成弹簧断裂。弹簧疲劳寿命的薄弱环节在弹簧支承圈与工作圈的接触部位,因此该部位的几何形状尤为重要,以保证加载过程中,弹簧支撑圈与工作圈接触为较长的线接触,减小接触应力。碾尖尖部锥度应尽量与弹簧螺旋升角一致，并且尖部应平整圆滑，避免弹簧工作时发生局部点接触。如果有局部点接触的地方，此地会很有可能出现应力集中。支承圈会受到很大的压力，会可能导致弹簧过早的断裂。 随着我国铁路机车车辆的全面提速，对转向架处弹簧的要求也越来越严格。现在已将一系悬挂式弹簧改进为并列式组合弹簧，适当的改善二系悬挂式弹簧的纵向弹簧旁承距离等建议。二系悬挂式弹簧的纵向距离扩大到450mm到600mm之间，增加角刚度，由弹簧横向回弹力产生回转阻力矩，减少角位移，抑制蛇行运动，有利于机车的平稳性【2】。通过对车辆运动作为动力学振动分析，并做了大量的调研工作，阅读文献，将在二系悬挂式圆柱螺旋弹簧与其他弹簧做了对比分析分析，发现圆柱螺旋弹簧好，提出应采用圆柱螺旋弹簧来达到理想减振的效果。机车车辆运行中要获得良好的运行平稳性, 需要靠弹簧减振装置来保证, 弹簧可用以缓和轨道不平顺对车辆簧上部分的动作用力。车体减振的主要弹性元件是机车车辆的一系和二系悬挂弹簧, 它起到了车辆运行时缓冲、减振、控制运动的作用。目前机车车辆广泛使用的悬挂弹簧是圆柱螺旋弹簧它的优点是: 刚度稳定, 结构简单、制造方便、应用广泛, 但该弹簧的主要刚度是沿着轴线方向, 是应用于垂直方向的减振性能。1.3圆柱螺旋弹簧端面结构形式的研究现状YI型：两个端面圈均与邻圈并紧，并在专用的磨床上磨平。YII型：加热卷绕时弹簧丝两端制扁且与邻圈并紧（端面圈可磨平也可不磨平）。YIII型：两个端圈均与邻圈并紧不磨平。在重要的场合，应采用YI型，以保证两支撑端面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不受倾斜。弹簧料径d0.5mm时，弹簧的两个端面可不必磨平。d0.5mm时的弹簧，两支撑端面则需磨平。磨平部分应不少于同周长的3/4，端头厚度一般不小于d/8。死圈：弹簧的两个端面圈与邻圈并紧（无间隙），只起支撑作用，不参与变形，故称为死圈。当弹簧的工作圈数n7时，弹簧每端的死圈约为0.75圈；当n7时，每端的死圈约为11.75圈【3】。1.4接触问题的研究进展圆柱螺旋弹簧相对于普通压缩弹簧的主要特性来源于弹簧有效圈与支撑圈的摩擦接触作用，因此深入研究圆柱螺旋弹簧端圈与其他结构的接触问题对提高弹簧的疲劳寿命有重要的作用。现代意义上的接触力学，可追溯到 1882 年，接触力学先驱 Hertz 在一家德文杂志发表了具有开创性的论文“论弹性固体的接触”【4】。然而，一百多年来，接触力学最初的发展是缓慢的。自 Hertz 的第一篇论文发表以来，直到 20 世纪初，才有较多的接触力学方面的文献问世。促使人们对接触现象进行研究的经典领域主要有：火车的轮轨接触，机车牵引动力和制动力的传递；各种动力机械中齿的运动和动力传递；滚动轴承的受力分析。到了近代，现代工业不但对传统的动力传输构建的接触力学分析的精度和可靠性提出了更高的要求，还将研究领域扩大到诸如计算机磁头、微电子开关、功能复合材料界面强度等方面。 实际上，凡有机械部分的工业设备中，几乎无一例外地存在固体的接触现象，需要用接触力学的方法加以研究。非但如此，在压力加工、材料成型工艺、摩阻材料等相关工业部门中，在用计算机辅助设计的方法进行与材料和结构有关的设计、加工、控制等过程中，接触力学的因素也逐渐成为人们应该考虑的重要内容，这就加速了接触分析方法的技术进展，这就使得圆柱螺旋弹簧这类通过接触摩擦形成独特能力的机械基础部件的接触分析越显重要和可行。 目前，接触研究散见于理论力学、弹性力学、机械设计和车辆动力学等研究分析中。长期以来，人们之所以沿用古典的 Hertz 理论来处理复杂的工程问题，固然体现了该理论的奠基作用，同时也返映了由于缺乏实验和数值模拟手段而不得不把非线性问题作为线性，有限几何尺寸简化为无限大，动力问题处理为静态的现实。近年来，随着现代实验和计算机科学的迅速发展，古老的接触力学已经摆脱困境，走向突破。这表现在复杂本构关系的引入，有限元等数值方法的使用和摩擦学、材料学科间的渗透等。 在 Hertz 有关接触力学的第一篇著作后的 100 年里，人们主要是在 Hertz 理论的基础上工作【5】。20 世纪 40 年代，Muskhelishvili 在弹性体接触力学的数学理论方面有突出贡献。1961 年，Galin【6】的“弹性理论中的接触问题”一书总结了Muskhelishvili 的工作。Glad well【7-8】于 1980 年出版的著作“弹性力学经典理论中的接触问题”主要考虑集中的或大范围的无摩擦接触或粘着接触。有关百年来接触力学理论成果的最完整的总结，是 1985 年 Johnson【9】的著作“接触力学”。这本书也涉及一些弹塑性和粘弹性体接触内容。1988 年 Kikuchi 和 Oden的“弹性体接触问题：变分不等式研究和有限元法”一书是早期关于接触问题数值计算理论的方法的总结。1990 年 Kalker【10】的“三维弹性体的滚动接触”是主要以铁路轮轨接触界面作用力为背景的有关滚动接触的专著。该书的主要成就，是总结和发展了适于工程应用的弹性体滚动接触的界面作用力及其时间变化率的各种简化表达式，以及相应的数值方法。随着现代计算机运算速度的存储能力的发展，接触问题的数值模拟得到了快速发展，相应的也促进了有限元法在接触非线性方面的研究，使得各种接触类型均可在计算机上通过有限元法进行模拟，扩展了接触问题的研究范围和内容。 对于特别针对圆柱螺旋弹簧端面接触的文献很少，因此，随着接触力学和有限元技术的发展，为圆柱螺旋弹簧这种空间复杂模型的接触分析应用提供了可能。 1.5我国弹簧行业与国外工业发达国家的差距目前，我国企业经营模式正由产供销向销供产转变，但由于产供销模式在我国长期存在，使我国很多企业不能适应市场的经济条件下的激烈竞争。很多企业还不能做到以销定产，盲目的大量生产使产品大大过剩，造成产品的积压。而国外工业发达国家根据市场需求制定产品生产计划，在库量只有一个多月的销售量。与工业发达国家相比，我国目前的产品结构不够合理，大多数企业在生产低技术含量的普通件，而技术含量高的异性件只有少数规模大厂才有能力生产，而且品种规格少，产品有限。结果造成普通产品供过于求，而高技术含量高附加值的高档次品种却不能满足需求。企业组织结构松散，企业组织规模小而缺乏竞争实力。我国弹簧产品与国外工业发达国家同类产品相比，质量较差，性能较低，技术水平也有所不如，而且有些异性件和高强度产品都超出了我国弹簧企业的生产能力。在我国众多弹簧产品中，却没有一个国际品牌，这给我国弹簧产品的出创汇带来了很大的不良影响。在科学研究及新产品开发方面，我国与工业发达国家的差距尤为明显。大多数企业技术开发能力薄弱，我国弹簧企业所研制开发出来的很多产品落后于国外十几年之久，部分产品的研制跟不上市场的需求，造成不必要的投入。而且对于市场上已经投入使用的进口产品我们却搞不懂他们的生产工艺。另外，行业专业科研院所少，而且设备，资金都缺乏，致使很多的科研项目不能完成【11】。总之我国弹簧行业的发展还远远不及工业发达国家的技术水平。1.6 本论文的研究内容、方法及可行性分析本论文的研究内容是制作圆柱螺旋弹簧时棒料两端碾尖与不碾尖两种情况对弹簧疲劳寿命的影响。大多数热卷压缩螺旋弹簧，在卷制前，将坯料两端制成断面尺寸逐渐减少的矩形截面形状，这个过程叫做碾尖。钢料两端不制扁的弹簧，没有支撑面，不便于矫正，还浪费部分材料。在制扁时要特别注意加热的温度，避免过热过烧的发生。断料时切料毛刺要适量，制扁操作要谨慎，避免引起卷折或分层缺陷，过早的导致端部损坏。刘毅等人12研究制扁时的加热温度及注意事项帮助我们能提高弹簧制扁的质量要求。 本课题通过运用试验检验分析及CAE有限元计算分析的方法，对铁路转向架弹簧失效进行对比分析，主要研究了弹簧端圈结构形式对弹簧端圈与相邻有效圈间工作接触应力的影响，提出弹簧端圈可靠性设计方案。来自漳州职业技术学院的张明建13基于恒寿命疲劳的特点，反复选择弹簧基本参数，探究影响其寿命的相关因素。在实际中，本课题组具备试验所需的各种试验条件，能够完成试验任务要求。第2章 试验的材料与方法2.1试验的材料为了延长弹簧的使用寿命，使之起到应有的作用，弹簧的材料必须具有高的屈服强度和高的疲劳极限，表面必须光滑。表面状态很重要，因为弹簧在反复载荷作用下，多数是由于表面缺陷发展而折损。本实验的材料（表2-1）由天津机辆厂采用卷制的方法取得，所用的原材料是以硅锰钢为主要成分由山东宁津厂提供的CRH5型动车组轴箱弹簧棒料，料径为60mm。采用先进的日本设备经过端部加热、碾尖、棒料加热、卷制、淬火、退火等工序卷制而成。其中采用中频感应电炉加热，加热温度为1600，其中油淬火温度为920左右，温度差应控制在50以内15。淬火与退火的时间间隔必须控制在4小时内，否则弹簧内部组织会改变。表2-1 断裂弹簧材质化学成分分析结果分析元素%CSiMnPSCrV断裂弹簧0.490.290.770.0060.0140.940.12CA250弹簧采购技术规范0.470.550.400.71.100.0150.0150.901.200.100.252.2试验设备2.2.1现场加载疲劳试验设备 液压式微机控制弹簧压力试验机TYE-W是国内弹簧厂家比较青睐的弹簧疲劳加载试验仪器，由济南三运实验仪器有限公司制造（图1）。他的主要功能与特点如下：由动态通讯、结果观察、记录查询、图表显示、图表打印、参数输入、数据处理、数据保存等功能模块构成系统软件。 l 设定试验力，检测弹簧的变形量。 l 设定试验力，检测弹簧的剩余高度。 l 设定弹簧变形量，检测弹簧的试验力。 l 设定弹簧的剩余高度，检测弹簧的试验力。 l 检测弹簧刚度。 采用PLC控制，PC机屏幕显示试验力、弹簧的位移、特性曲线，计算弹簧的刚度、打印试验报告、查询试验结果。图2-1 加载疲劳试验机2.2.2现场数据采集设备济南中正试验机制造有限公司制造，该试验机（图2）采用松下交流伺服电动机作为动力源；采用先进的芯片集成技术，专业设计的数据采集放大和控制系统，试验力、变形的放大、A/D转换过程实现了全数字化调整。本机可对各种金属、非金属及复合材料进行力学性能测试和分析研究，广泛应用于航空航天、石油化工、塑管、塑料门窗土工布、金属材料及制造业，可根据GB、JIS、ASTM、DIN、ISO等标准自动求取最大试验力值、断裂力值、屈服强度、上下屈服强度、抗拉强度、抗压强度、断裂延伸率、拉伸弹性模量、弯曲弹性模量等试验数据。 图2-2 现场数据采集设备2.3试验的目的CRH5 型车上装配的轴箱弹簧在检修过程中发现多处断裂，为监测其轴箱弹簧在正常运行工况下的应力及相关位移情况，在结构强度检测实验室内通过对两组不同结构形式的弹簧进行疲劳试验，测试得到动应力，对比不同结构弹簧的应力状态,分析弹簧接触磨损情况以及应力分布情况，观察弹簧磨损及断裂情况，对比两组结构弹簧的应力水平，得到更加适合工程实际应用的弹簧结构。2.4试验方法2.4.1试验步骤和测点布置查阅有关弹簧的相关文献，分析弹簧的受力情况，先判断出弹簧最易断裂的位置及弹簧受力的薄弱部位，在指导老师的帮助下分析弹簧有效圈与支撑圈的接触磨损情况。挑选两组结构形式不同的弹簧，对比他们的结构特点。首先在指导师傅的教导下了解试验设备的使用情况，阅读操作试验仪器的注意事项及操作规程，在保证安全的情况下进行试验。 本次试验采用应变片测试轴箱弹簧的动应力，采用高精度位移传感器测试了轴箱弹簧对构架垂向、横向位移。测试方法分别按照正常疲劳试验工况运行，全部过程实测轴箱弹簧的动态应力。 根据现场弹簧情况，标定弹簧测点，如图，分别标记两组弹簧的测点。 表2-2 弹簧编号 结构类型 生产厂家 A 新机构 宁津 B 老结构 宁津 图2-3 两组弹簧的测点 分别改变测试角度，弹簧的测点通道汇总。 把两组不同结构形式的弹簧按不同测点两两分组，标记号码，然后把弹簧放到弹簧疲劳试验机上进行加载，然后变换不同的加载力、加载方向，然后记录实验数据。上述各个测点的应变信号均采用 HBM 数字式动态信号采集系统进行全程连续采集，采样频率设置为 100Hz，高于各测点动态响应频率的 10 倍，可确保采样数据的真实性；该测试系统精度高、动态响应快，可实现全程连续采样，因而能够保证测试数据的完备性。表2-3弹簧测点通道减震弹簧弹簧类别弹簧号应变花所在部位应变片号方向通道号天津新结构A下部第二圈A-1-00度15A-1-4545度8A-1-9090度21中部正对行车方向A-2-00度9A-2-4545度10A-2-9090度11与 A-2 应变花成 90度方向的同一圈靠上外侧A-3-00度34A-3-4545度35A-3-9090度18上部第二圈A-4-00度30A-4-4545度1A-4-9090度45与 A-2 应变花对应位于弹簧内侧A-5-00度24A-5-4545度27A-5-9090度22与 A-3 应变花对应位于弹簧内侧A-6-00度25A-6-4545度26A-6-9090度7与 A-4 应变花对应位于弹簧内侧A-7-00度13A-7-4545度33A-7-9090度12天津老结构B下部第二圈B-1-00度15B-1-4545度8B-1-9090度21中间正对行车方向B-2-00度9B-2-4545度10B-2-9090度11与B-2 应变花成 90度方向的同一圈靠上外侧B-3-00度34B-3-4545度35B-3-9090度18上部第二圈B-4-00度30B-4-4545度1B-4-9090度45与B-2 应变花对应位于弹簧内侧B-5-00度24B-5-4545度27B-5-9090度22与 B-3 应变花对应位于弹簧内侧B-6-00度25B-6-4545度26B-6-9090度7与 B-4 应变花对应位于弹簧内侧B-7-00度13B-7-4545度33B-7-9090度122.4.2疲劳试验机加载情况l 纵向试验频率：1.5hzl 横向试验频率：0.5hzl 纵向循环次数：200 万次l 横向循环次数：66.67 万次l 两组弹簧合做试验载荷：最小试验力 42kn，最大试验力 78kn第3章 试验结果与分析3.1宏观检查3.1.1新结构形式的弹簧（1） 新结构弹簧的断裂位置发生在弹簧下部的弹簧过渡圈位置，见图 4，分解后检查，距过渡圈起始端约 1/4 区域，见图5。（2）在弹簧支撑圈与过渡圈相邻表面上相互接触形成磨损痕迹带有三处不同的位置区域，自弹簧碾尖末端端部算起，第一、第二、第三接触区处的磨损痕迹带周向长度分别约 32mm、220mm、70mm，具体位置如下，断裂弹簧碾尖末端端部距离第一接触区处的磨损痕迹带起始端约 12mm，在三者之间的未磨损区周向长度分别约 60mm、32mm，其中，第三接触区处内的磨损痕迹非常轻微，以弹簧表面上的防腐涂层破损为主，见图 5、图 6。（3）轴箱外圈弹簧裂纹源区有受热变色，其对应相邻位置弹簧表面上可见有相互撞击产生的磕痕，见图 7。（4）在裂纹源区的断口上可见有数条大致与弹簧圆周表面相平行的剥离台阶，见图 8，检查靠近裂纹源区的磨损痕迹带表面上有剥离裂纹，见图 9。图3-1 分解前的断裂弹簧状态 图 3-2 弹簧断裂位置 图3-3 距离碾尖末端最近的磨损痕迹 图3-4 裂纹源区的受热变色和对应位置弹簧表 面上的磕痕 图 3-5裂纹源区断口的形貌图3-6 裂纹源区对应弹簧表面上的剥离裂纹 50x3.1.2老结构形式的弹簧老结构弹簧的表面有受热变色，有效圈与支撑圈之间有相互撞击产生的划痕，当与加载到新结构弹簧断裂时的加载次数时，老结构弹簧出现明显的痕迹。接触线部分有接触痕迹，但无磨损痕迹，而在接触线以后区域又出现了接触并且发生磨损，基本可以判断，弹簧在受到垂向及横向载荷（尤其是动载荷）作用，导致正常接触线尾端以后的部分接触并发生磨损，弹簧则绕着正常接触线的尾端发生扭转运动，在交变载荷作用下，弹簧最终从弹簧接触线的尾端处发生断裂。图3-7 老结构支撑圈与有效圈的磨损情况3.2弹簧试验结果3.2.1纵向标定试验结果表3-1 弹簧在测点1的加载结果测点1t垂向1.5t垂向2t垂向2.5t垂向3t垂向3.9t垂向B-1-9021.7 34.4 44.9 50.5 53.6 61.8 A-1-9050.6 78.9 93.8 108.4 127.9 169.5 B-1-45233.5 336.3 403.9 416.2 428.3 481.6 A-1-45234.5 354.5 409.5 465.3 547.2 719.1 B-1-056.7 104.5 129.7 159.7 178.0 206.7 A-1-0112.4 181.4 221.0 264.9 37.3 439.8 表3-2 弹簧在测点2的加载结果测点1t垂向1.5t垂向2t垂向2.5t垂向3t垂向3.9t垂向B-2-9011.717.821.726.936.751.2A-2-9016.730.636.243.855.682.4B-2-45379.1593.7686.4762.4889.31179A-2-45224.8359.7422.9492.5588.7805.6B-2-024.335.437.635.538.241.2A-2-027.134.826.325.624.748.5表3-3 弹簧在测点3的加载结果测点1t垂向1.5t垂向2t垂向2.5t垂向3t垂向3.9t垂向B-3-906.112.81817.718.319.5A-3-9018.531.336.437.940.946.8B-3-45238.5378439.3498.3588.6822.7A-3-45256.6401.8459.8518.5610.7816.5B-3-039.377.298.8104.3104.4115.5A-3-057.4100.8118127.9143.4173表3-4 弹簧在测点4的加载结果测点1t垂向1.5t垂向2t垂向2.5t垂向3t垂向3.9t垂向B-4-906.8 8.4 9.3 A-4-90246.2 381.2 437.1 508.7 620.2 856.9 B-4-45222.8 333.1 384.6 438.5 501.2 563.7 A-4-45258.2 417.7 479.3 577.9 646.3 863.7 B-4-048.0 98.4 124.6 172.4 223.0 264.4 A-4-090.8 157.2 180.6 197.6 216.6 284.0 3.2.2横向标定实验结果表3-5弹簧在测点1的横向加载结果测点2.1t垂向8mm横向3t垂向8mm横向3.9t垂向8mm横向A-1-0103.497.1120.6B-1-0143.885.161.8A-1-45141.2146.2138B-1-4562.217.925.5A-1-9037.436.639.3B-1-9036.421.919.4表3-6 弹簧在测点2的横向加载结果测点2.1t垂向8mm横向3t垂向8mm横向3.9t垂向8mm横向A-2-0179.4216.5290.1B-2-0180.5209.9255.8A-2-4558.973.6114.5B-2-45174.2197.7222.6A-2-9055.56788.8B-2-9055.26477表3-7弹簧在测点3的横向加载结果测点2.1t垂向8mm横向3t垂向8mm横向3.9t垂向8mm横向A-3-063.269.089.4B-3-022.846.893.8A-3-4516.917.518.0B-3-454.66.524.7A-3-9020.322.227.4B-3-905.012.324.7表3-8弹簧在测点4的横向加载结果测点2.1t垂向8mm横向3t垂向8mm横向3.9t垂向8mm横向A-4-052.631.718.7B-4-096.173.629.7A-4-45152.2155.6168.2B-4-4510.234.313.2A-4-9060.284.4102.2B-4-9028.819.59.43.3弹簧试验分析3.3.1应用CAE有限元运动仿真模拟分析l 新结构弹簧施加垂向 3.9t 载荷产生的 von mises 应力云图如下：图3-8弹簧上支撑圈圈端部与有效圈之间接触 图3-9 弹簧内圈应力应力较大，应力值大约为 1300MPa图3-10 弹簧下部支撑圈与有效圈之间接触应力为 1319MPa 图3-11l 施加垂向 3.9t，底部横向位移 8mm 图3-12 弹簧整体 von mises 应力图 图3-13施加疲劳试验最大载荷时，最大应力出现在弹簧内侧图3-14 弹簧下部支撑圈端部与有效圈之间 图3-15 弹簧整体最大主应力图接触应力为 1176MP图3-16弹簧内侧最大主应力分布图 图3-17弹簧上端接触点最大主应力为 518MPa图3-18 弹簧下端接触点最大主应力为 619MPa 当弹簧施加垂向3.9t载荷时，弹簧上支撑圈端部与有效圈之间接触应力较大，应力值大约为1300兆帕，弹簧内圈比外圈应力大。弹簧下部支撑圈与有效圈接触应力为1319兆帕。当施加垂向3.9 t，底部横向位移8mm，施加疲劳试验最大载荷时，最大应力出现在弹簧内测。弹簧下部支撑圈端部与有效圈之间接触应力为1176兆帕，弹簧有效圈内侧应力较大，弹簧上端接触点最大主应力为518兆帕。分析 A 簧断裂原因：A 簧断裂处位于下端有效圈与支撑圈外端接触点处，从 A 簧磨损情况看出，A 簧由于支撑圈磨边，造成支撑圈与有效圈之间接触不均匀，且在支撑圈端部形成点接触，造成该小面积区域，磨损，接触应力过大。l B 簧施加垂向 3.9t 载荷得到的应力分布图 图3-19弹簧整体 von mises 应力图 图3-20弹簧内侧 von mises 应力图图3-21弹簧整体 von mises 应力图 图3-22 从实际弹簧接触磨损情况和仿真结果看 出 B簧接触情况较为均匀，且接触应力最大值小于A簧。 l B 簧施加垂向 3.9t，横向 8mm 得到的应力云图 图3-23弹簧整体 von mises 应力图 图3-24 弹簧内圈 von mises 应力图(弹簧内 侧应力最大值为 1342MPa)图3-25弹簧上端接触部位 von mises 应力图 图3-26弹簧下端接触部位 von mises 应力图弹簧上端部支撑圈与有效圈接触应力如上，接触应力分布较为均匀，且数值小于 A 簧图3-27弹簧整体最大主应力图 图3-28弹簧内圈最大主应力图 图3-29 弹簧接触部位最大主应力图 B簧施加垂向3.9t载荷时，弹簧内侧有效圈受力较大，从实际弹簧接触磨损情况和仿真看出B簧接触情况较为均匀，且接触应力最大值小于A簧。当B簧施加垂向3.9t，横向8mm的载荷时，弹簧内测最大应力值为1342兆帕。弹簧上端部支撑圈与有效圈接触应力分布较为均匀，且数值小于A簧。断裂位置位于钢弹簧支撑圈与相邻有效圈非正常接触性磨损起始位置，如图所示，观察剩余支撑圈部分，断裂位置基本位于钢弹簧正常接触线与非正常接触性磨损的交界处，如图33所示。根据图34可以看出，接触线部分有接触痕迹，但是无磨损痕迹，而在接触线以外区域又出现了接触并发生较为严重的磨损，从表象上看，弹簧断裂位置正好处于磨损与接触线的交界位置，换言之，弹簧在承受正常的轴向交变载荷时，弹簧端圈与相邻有效圈的接触是随载荷的变化而渐变，但是由于弹簧在受到垂向及横向交变载荷共同作用下，导致正常接触线尾端以后的部分接触并发生磨损，两个部分的临界点则起到支撑作用，弹簧与支撑圈相邻的有效圈绕着该支点发生扭转运动，在交变载荷作用下，该有效圈在支点位置产生较为集中的交变接触应力，最终从该支点发生接触性疲劳断裂。磨损最大处疲劳源 图3-30 断裂破坏照片正常接触线接触并磨损区断裂位置 图3-31断裂破坏照片3.3.2应用实验数据分析在垂向标定试验中，随着加载力的逐步增大，A、B簧在测点位置以90度角度的位置加载，他们的应力幅值增加缓慢，大约控制在200兆帕以下，随着角度的减少，应力幅值明显增加，A簧在以45度角度加载时，测点1位置应力幅值达到了700兆帕。A、B簧在垂向加载力逐步增加时以90度角度加载，在测点2位置应力幅值几乎不变，以45度角度加载时，应力幅值呈线性增长，幅值达到1200兆帕左右。同样在测点3位置，同样也是45度方向加载时，应力幅值最大。 两组轴箱弹簧动应力数据最大值均发生在 2 测点 45 度方向，其中B弹簧2测点处动应力幅值最大为 1176MP。两组轴箱弹簧的位移最大处均发生在垂向位移上，其A组弹簧左侧垂向位移幅值最大为 13.58mm，B组右侧垂向位移幅值最大为 12.78mm。两组弹簧2测点45 度方向是危险断裂点。影响结构疲劳强度除了动应力幅值以外，动应力作用的频次对疲劳强度的影响也很大，平均应力对疲劳强度也有一定影响。第4章 结论新结构弹簧接触圈数比原结构弹簧减少近一半，但接触圈数的减少导致有效圈与支撑圈端部形成点接触，造成该点接触应力较大，且接触圈呈断续状态，而原结构弹簧虽然试验后磨损量大，但磨损均匀，并没有形成点接触而是线接触。 新结构弹簧由于支撑圈数的减少致 1 和 4 应变花