创新 东风弹簧 重型商用车轻量化开发

DONGFENGMOTORSUSPENSIONSPRINGCO.,LTD重型商用车轻量化钢板弹簧的研发QC成果资料东风汽车悬架弹簧有限公司DONGFENGMOTORSUSPENSIONSPRINGCO.,LTD发表人：刘俊时间：2010年5月3日东风汽车悬架弹簧有限公司年份课题名称所获奖项2005提高变截面板簧工序交付率中国机械工业一等奖全国优秀成果参加了北京2007年国际质量管理小组会议2006开发厚截面钢板弹簧新材料2007小组名称——微笑QC小组课题类型——创新型活动宗旨——用我们真诚付出赢得用户满意微笑一、小组简介活动时间——2009年1月至2010年4月东风汽车悬架弹簧有限公司一、小组简介No.姓名年龄组内职务文化程度部门专业1陈兴林43组长/课题总协调博士总经理汽车工程2杨爱华42副组长/技术协调硕士副总经理机械设计3汤银霞39组员硕士研发中心汽车工程4张小军33组员大学研发中心材料热处理5刘俊24组员大学研发中心机械设计6沈金富35组员大学研发中心材料热处理7刘安全33组员大学研发中心机械设计8汪耀峰33组员大学研发中心汽车工程9张治军36组员大学研发中心汽车工程10李刚炎46组员/技术支持大学武汉理工大学机械设计11矍海锦35组员/技术支持大学东风汽车公司工艺研究所材料热处理东风汽车悬架弹簧有限公司20032010≥15%降低油耗：国家“十一五”汽车产业发展策略第10条：“汽车产业及相关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车燃油经济性。2010年前，汽车新车平均油耗比2003年降低15％以上”二、选择课题汽车重量与油耗的关系10/15ModeFuelEfficiency(km/l)0510152025305001000150020002500DirectInjectionGasolineNormalGasoline35HybridVehicleWeight(kg)CO2:140g/km40汽车重量与CO2排放量的关系汽车重量10%燃油消耗5%～8%CO2排放量10%～15%世界铝业协会报告：东风汽车悬架弹簧有限公司2007年12月，成立了国家“汽车轻量化技术创新战略联盟”。二、选择课题汽车悬架重量汽车钢板弹簧重量汽车自重2008年6月，我公司参加了国家“汽车轻量化技术创新战略联盟”的“轻量化材料应用共性技术的研究与应用”课题组，研发重型商用车轻量化钢板弹簧。钢板弹簧选择课题：重型商用车轻量化钢板弹簧的研发东风汽车悬架弹簧有限公司三、设定目标目标：实现重型商用车钢板弹簧减重≥30%约束条件：产品的使用寿命≥8万次（依据GB/T19844标准）东风汽车悬架弹簧有限公司三、设定目标目标可行性分析：与国外重型商用车汽车钢板弹簧对比欧美汽车钢板弹簧我国汽车钢板弹簧设计应力≥600MPa自重轻，重型卡车300～450公斤寿命高，≥8万公里设计应力400～550MPa自重重，重型卡车≥600公斤寿命低，≤5万公里结论：国外重型商用车钢板弹簧自重较国内轻30%-50%东风汽车悬架弹簧有限公司郭孔辉院士受聘为公司技术顾问陈耀明教授受聘为公司技术顾问获得8项国家专利。参与制定行业、国家技术标准。2007年，参与编写《钢板弹簧》国际标准提案，并代表中国在弹簧标准国际会议上进行说明。聘请了中国工程院院士郭孔辉等6位专家为公司技术顾问。三、设定目标目标可行性分析：公司有一支实力强大的研发团队东风汽车悬架弹簧有限公司方案一等截面钢板弹簧平扁双槽在板簧受压面开了两条沟槽，材料截面由平扁改为双槽，实现轻量化。方案二汽车钢板弹簧等截面变截面将等截面板簧改为变截面板簧，实现轻量化。方案三汽车板簧采用非金属材料非金属材料如：玻璃纤维材料，纤维复合材料，比重小于金属材料。目标：减重≥30%的重型商用车轻量化钢板弹簧初步方案提出：从产品结构上实现减重四、提出方案并确定最佳方案东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案方案减重效果成本比较适用范围可行性评价选择方案一等截面板簧平扁→双槽减重5-11℅降低不影响公告，适用成熟车型的轻量化改进。减重效果一般，暂不考虑×方案二等截面→变截面减重15-20℅降低需重新上公告，适用于新型商用车开发，尤其是大车型。减重效果显著，可实施√方案三采用非金属材料减重40-65℅很高减重效果非常显著，但制造投入非常大。投入太大，暂不考虑×方案可行性分析与评估：东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案方案可行性分析与评估：车型悬架载荷(kg)弹簧自重(kg)承载能力（载荷/自重）整车弹簧自重(kg)56036000（等截面）前3530105.6933.4479.34后5630133.9842.056036000（变截面）前353083.3742.3384.86后5630109.0651.6方案二：产品检测数据表明：以北方奔弛56036000为例，每辆份钢板弹簧自重减轻94.48Kg，减重19.7%。车型悬架载荷(kg)弹簧自重(kg)承载能力（载荷/自重）整车弹簧自重(kg)KLQ6100（平扁）前12006917.39386后456012436.77KLQ6100（双槽）前120055.621.58343.4后4560116.139.28方案一：产品检测数据表明：以KLQ6100为例，每辆份钢板弹簧自重减轻42.6Kg，减重11%。东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案方案理论分析减重效果成本适用范围可行性评价选择设计应力提高≥600MPa通过应用高性能弹簧钢材料+应力均匀分布优化设计可实现减重虽然高性能材料价格较高，但是由于减少了产品重量，成本略有降低或相当需重新上公告，适用新车型可实现轻量化，可实施√为了进一步实现产品轻量化，小组成员提出提高设计应力。与国外板簧相比：欧美板簧设计应为≥600MPa，板簧自重减轻30%设计应力≥600MPa自重轻，重型卡车300～450公斤设计应力400～550MPa自重重，重型卡车≥600公斤东风汽车悬架弹簧有限公司开发高应力变截面钢板弹簧关键工艺技术设计高性能材料开发产品结构设计方案的进一步分解：四、提出方案并确定最佳方案1.材料化学成分确定2.材料工艺性能开发1.为确保轻量化重型钢板弹簧的使用寿命，对产品结构进行优化设计1.为确保轻量化重型钢板弹簧的使用寿命，对加工工艺进行优化设计重型商用车轻量化钢板弹簧的开发目标：减重≥30%约束条件：保证使用寿命东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案高性能材料的开发→材料化学成分的确定序号方案对比分析人组成员同意是否实施方案一自主研发高应力材料的化学成分。由于国内尚无高应力材料，研制成功至少需要3-5年的时间，且高应力材料较低应力材料在保证产品性能上要求更高，需要与钢厂投入较大的人力、物力和财力。2人×方案二分析研究国外高应力材料化学成分，作工艺性能开发。国外已有成熟的高应力材料，对其进行化学成份研究，寻找合适的冶炼条件，开发其工艺性能，可以较快的保证轻量化板簧的研制工作。8人√Ⅰ小组成员提出了两种方案：东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案高性能材料的开发→材料化学成分的确定Ⅱ小组成员研究了德国MAN系列高应力钢板弹簧（设计应力650MPa），确定其材料成分如下表：检测结果表明：MAN钢板弹簧总成采用的材料为50CrV4(DIN17221)。元素CSPSiMnCrV德国MAN高应力板簧材料检测结果0.530.00730.0090.291.061.190.12国外弹簧钢材料标准（DIN17221）50CrV40.47～0.55≤0.030≤0.0300.15～0.400.70～1.100.90～1.200.10～0.20Ⅲ通过与钢厂技术部门沟通，考虑到钢厂的生产工艺，对部分元素的化学成分进行了微调，初步确定为51CrV4的化学成分。东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案高性能材料的开发→材料化学成分的设计Ⅳ首批材料试制规格为26mm×90mm，化学成分经检验满足技术协议要求。至水冷端距离(mm)1.535791113152025303551CrV460.060.760.761.360.360.758.057.753.047.744.342.7Ⅴ材料工艺性能试验----淬透性试验项目实测协议要求低部组织中心疏松1.5级≤2.5级脱碳层0.13～0.15mm≤0.47低倍组织及脱碳层检验材料CSPSiMnCrV51CrV4实测值0.510.0140.0180.300.871.090.14协议要求0.47～0.55≤0.030≤0.0300.15～0.400.70～1.100.90～1.200.13～0.20东风汽车悬架弹簧有限公司项目实测值备注心部硬度(HBW10/3000)292、292、302交货状态心部硬度(HRC)48、48、46淬火：850℃，45min，油淬回火：450℃，60min拉伸试验屈服强度Rp0.2（N/mm2）1560抗拉强度Rm(N/mm2)1660断后伸长率A5(%)9.8断面收缩率Z(%)40.7四、提出方案并确定最佳方案高性能材料的开发→材料化学成分的设计Ⅵ材料力学性能试验最终确定：材料化学成份为51CrV4试验结果表明：51CrV4其化学成分、淬透性和力学性能等指标均达到协议要求，且具有高弹性极限和疲劳极限、一定的冲击韧性、良好的淬透性和较低的脱碳敏感性，可以作为设计应力为650MPa级、厚度≤45mm的高应力钢板弹簧材料。东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案产品结构设计→端部结构的设计Ⅰ从产品使用寿命角度分析，以变截面钢板弹簧2913Z24-010为例，做台架试验。试验条件：刚度指标27915±2233；静负荷弧高指标15±6；疲劳寿命预加∶12.0mm振幅±21.0mm试验频率2.0Hz试验结果如下：试验编号刚度实测值静负荷弧高实测值疲劳寿命（万次）断裂片序距中心孔距离说明1#21913.08.09.5793第1片245.0mm处断裂均为第一片断裂，断口基本一致，均为疲劳断裂2#21000.06.58.0675第1片180.0mm处断裂3#21000.610.08.5170第1片260.0mm处断裂4#21446.810.758.039第1片270.0mm处断裂5#2191312.59.8641第1片180.0mm处断裂6#21000.09.58.9609第1片290.0mm处断裂东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案产品结构设计→端部结构的设计Ⅱ从应力分析的角度，以2913Z24-010为例，测试：应变片编号位置载荷KN1#钢板弱簧第一片左侧26.52#钢板弱簧第一片右侧34.53#钢板弱簧第二片左侧72.04#钢板弱簧第三片左侧90.05#钢板弱簧第四片左侧117.56#钢板弱簧第四片右侧145.05#4#3#1#2#6#钢板弹簧第一片第二片第三片第四片东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案产品结构设计→端部结构的设计从台架试验和应力测试结果可知：不同载荷情况下，第一片应力值高于其他三片22%～32%。010020030040050060070080090010001#2#3#4#5#6#P=25.6P=34.5P=72.0P=90.0P=117.5P=145.05#4#3#1#2#6#钢板弹簧第一片第二片第三片第四片东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案产品结构设计→端部结构的设计序号方案目的图例方案一弧高调整确认板簧弧高对应力的影响方案二端部增加垫片确认板簧端部片间接触区域变化对应力的影响方案三调整板簧两端作用点的位置确认板簧两端作用点位置对应力的影响针对第一片应力值高，容易断裂，小组成员提出了三种方案：90mm垫片垫片垫片支点1300mm垫片垫片垫片作用点1480mm90mm支点1300mm第1片弧高减少10mm第4片弧高增加10mm东风汽车悬架弹簧有限公司四、提出方案并确定最佳方案产品结构设计→端部结