杜　勤，张　渠，李　宁，焦晶晶，马增敏

(北京北方车辆集团有限公司，北京 100072)



应用田口方法优化扭杆弹簧工艺提高疲劳寿命

杜勤，张渠，李宁，焦晶晶，马增敏

(北京北方车辆集团有限公司，北京 100072)

摘要：扭杆弹簧疲劳寿命是车辆制造过程中重点关注的内容之一。采用田口的参数设计思想，以扭杆弹簧预处理和终处理过程中的关键工艺参数为研究对象，通过优化设计加工工艺参数使得以扭杆弹簧的疲劳寿命达到4.5万次。重点介绍了采用田口方法优化扭杆弹簧的加工制作过程，获得了扭杆弹簧的最佳加工工艺，提高了其疲劳寿命。

关键词：扭杆弹簧；工艺优化；田口方法；疲劳寿命

扭杆弹簧是车辆的重要行动部件，在实际使用过程中承受单次或交替的扭转载荷作用，其主要的失效形式为疲劳断裂，它的断裂将导致整个车辆的瘫痪。田口方法是日本著名质量管理专家田口玄一将质量管理、数理统计和经济学与工程技术结合创立的一种方法，通过对试验数据的统计分析，找出性能最稳定、最可靠和成本最低廉的设计方案，以达到最优的技术经济综合效果[1-5]。

基于田口的稳健设计思想，将扭杆弹簧加工处理过程中影响其疲劳寿命的关键参数作为可控因素，扭杆弹簧疲劳寿命作为望大特性进行参数设计，并进行优化与验证，从而获得最佳的优化参数组合和加工工艺，以提高扭杆弹簧疲劳寿命。

1影响扭杆弹簧疲劳寿命的关键因素

多年来，通过对失效扭杆弹簧机理综合分析，从其加工制作的众多参数中找出了影响其疲劳寿命的关键因素，有退火加热温度、冷却温度、保温时间、冷打花键处的表面粗糙度、冷打速度、淬火和回火温度、保温时间、预扭角、预扭速度、辊压力和辊压速度。

2应用田口方法优化工艺

针对上述影响因素所处的工艺路线的不同阶段，将优化设计分为预处理阶段和终处理阶段。预处理阶段包括退火保温时间、冷打花键处的表面粗糙度及冷打速度；终处理阶段包括淬火和回火温度、保温时间、预扭角、预扭速度、辊压力及辊压速度。

2.1扭杆弹簧预处理阶段工艺优化

2.1.1方案设计

预处理阶段选择的主要因素有保温时间(A)、表面粗糙度(B)和花键冷打速度(C)，每个因素设计3个水平，水平2为原工艺参数，水平1为原工艺参数的90%，水平3为原工艺参数的110%，预处理阶段试验执行方案L934。

2.1.2分析计算

应用Minitab软件分析计算疲劳寿命与预处理阶段保温时间(A)、表面粗糙度(B)、冷打速度(C)和误差(e)的信噪比及均值响应分别如图1和图2所示。

由上述信噪比和均值主效应图可确定预处理阶段的最佳工艺为A3-B1-C1。

2.2扭杆弹簧终处理阶段工艺优化

2.2.1方案设计

图1　预处理阶段信噪比主效应图

图2　预处理阶段均值主效应图

1)花键区域参数设计。花键区域选择的因素有淬火温度(A)、回火温度(B)、淬火时间(C)、回火时间(D)和辊压力(J)，花键区域参数设计为5个因素，除淬火温度是2个水平外，其他各因素为3个水平。每个因素设计3个水平,水平2为原工艺参数，水平1为原工艺参数的90%，水平3为原工艺参数的110%，采用L18(21×37)混合正交表进行分析。

2)光轴区域参数设计。光轴区域选择的因素有淬火温度(A)、回火温度(B)、淬火时间(C)、 回火时间(D)、辊压速度(E)、预扭角(F)、预扭速率(G)和辊压力(H)，光轴区域参数设计为8个因素，除淬火温度是2个水平外，其他各因素为3个水平。每个因素设计3个水平,水平2为原工艺参数，水平1为原工艺参数的90%，水平3为原工艺参数的110%，采用L18(21×37)混合正交表进行分析。

2.2.2分析计算

1)花键区域参数优化。应用田口Minitab软件计算花键区域疲劳寿命的信噪比与淬火温度(A)、回火温度(B)、淬火时间(C)、回火时间(D)和辊压力(J)之间的均值，均值主效应图如图3所示。

由花键区域疲劳寿命的均值主效应图得出花键区域参数为A1-B1-C1-D3-J2。

2)光轴区域参数优化。应用田口分析软件Minitab计算光轴区域轴向样品疲劳寿命的信噪比与淬火温度(A)、回火温度(B)、淬火时间(C)、回火时间(D)、辊压速度(E)、预扭角(F)、预扭速率(G)和辊压力(H)之间的均值，均值主效应图如图4所示。

由光轴区域轴向样品疲劳寿命的均值主效应图得出光轴区域优化工艺参数为A1-B13-C123-D23-E2-F3-G123-h1。

应用田口分析软件Minitab计算光轴区域周向样品疲劳寿命N1、N2和N3与淬火温度(A)、回火温度(B)、淬火时间(C)、回火时间(D)、辊压速度(E)、预扭角(F)、预扭速率(G)、辊压力(H)之间的信噪比和均值，均值主效应图如图5所示。

由光轴区域周向样品疲劳寿命的均值主效应图得出光轴区域参数设计为A12-B13-C1-D13-E1-F13-G1-h1。

图3　花键区域信噪比均值主效应图

图4　光轴区域轴向样品疲劳寿命的信噪比均值主效应图

图5　光轴区域周向样品疲劳寿命的信噪比均值主效应图

3综合平衡扭杆弹簧终处理的最佳工艺参数

综合花键区域疲劳寿命、光轴区域轴向样品和光轴区域周向样品得出扭杆弹簧最佳工艺参数为：1)预处理阶段为A3-B1-C1；2)终处理阶段为A1-B1-C1-D3-E1-F3-G1-h1-J2。

4验证试验

应用优化出的工艺加工扭杆弹簧并进行台架试验，疲劳寿命均超过了原设计的4.5万次。

5结语

通过项目的研究，从田口方法中的各控制因素中可以看出，扭杆弹簧的热处理工艺参数、预扭角度、扭转速度以及辊压力对扭杆弹簧的疲劳寿命起到了至关重要的作用；应用田口方法确定的最佳工艺加工的扭杆弹簧疲劳寿命被大幅提高；同时可以看出，对于参数的选择并不是越大越好，当在一个适当的参数值时，加工获得的扭杆弹簧可以达到最佳的疲劳寿命。

参考文献

[1] Zhou G F, Li X Y, Shi Y W, et al. Wear mechanism of clutch separatingring in a heavy load vehicle[J]．Engineering Failure Analysis, 2006, 13(4): 606-614.

[2] 邵荷生，曲敬信，许小橡，等．摩擦与磨损[M]．北京：煤炭工业出版社，1992.

[3] 贾瑞清，夏志新．液压元件污染磨损寿命的实验室模拟研究[J]．液压与气动，1994(3)：27-3l.

[4] B. E. 卡纳尔丘克．动载荷下发动机的寿命和磨损[M]．张兴礼，译．北京：机械工业出版社，1984.

[5] 刘玉梅，王耀斌，张连富．F6L912G型柴油机耐磨可靠寿命的研究[J]．农业机械学报，1999，30(5)：100-102.

责任编辑郑练

Application of Taguchi Method Optimization Process to Improve the Fatigue Life of Torsion Bar Spring

DU Qin, ZHANG Qu, LI Ning, JIAO Jingjing, MA Zengmin

(Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China)

Abstract：Torsion bar spring fatigue life is one of the important elements of the vehicle manufacturing process. This research adopts the taguchi parameter design thought, with a torsional bar key process parameters in the process of pretreatment and final treatment as the research object. Through the optimization design process parameters, Achieve the fatigue life of torsion shaft in 45 000 times This study focuses on the application of the Taguchi method to optimize the process of manufacture torsion bar springs affecting the fatigue life of key parameters, and get the best processing technology torsion bar to improve its fatigue life.

Key words:torsion bar spring, optimization, taguchi method, fatigue life

收稿日期：2015-08-21

作者简介：杜勤(1965-)，男，研究员级高级工程师，主要从事失效分析及理化检测、无损探伤等方面的研究。

中图分类号：TG 142.1

文献标志码:A