前鋼板彈簧中心斷裂分析

王 森

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210000）

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前鋼板彈簧中心斷裂分析

王 森

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210000）

文章圍繞一款輕型卡車在道路試驗過程中前鋼板彈簧中心斷裂的現象進行原因分析，通過設計核對，確定其為緩沖塊底板剛性過小和騎馬螺栓夾緊力矩不足導致前鋼板彈簧中心位置參與變形所導致。重點分析了不同結構緩沖塊底板、不同騎馬螺栓擰緊力矩對鋼板彈簧中心位置應力影響，通過臺架試驗驗證，確定改進緩沖塊底板結構和增大騎馬螺栓擰緊力矩的前鋼板彈簧中心位置應力下降約30%，最終通過了道路可靠性試驗驗證。

前鋼板彈簧；中心斷裂；擰緊力矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.059

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-167-04

引言

鋼板彈簧在汽車上起到承載、減振、蓄能作用，它在汽車行駛過程中，受駕駛員駕駛習慣、行駛速度、路面不平整度、非周期性載荷等因素影響，各個位置的應力隨時間變化而變化。既要承載，又不能發生永久性變形，更不能發生斷裂等形式的失效，尤其是對前鋼板彈簧，一旦發生失效有可能導致車毀人亡的嚴重事故。在滿足承載要求的前提下提高鋼板彈簧壽命是贏得客戶結實耐用口碑和提高市場占有率的有效途徑之一。下面針對某輕型卡車在開發過程中前鋼板彈簧中心位置發生斷裂進行原因分析，提出改進措施及相關的臺架試驗驗證。

1、問題背景

一款全新開發的輕型卡車在定遠試驗場進行道路可靠性試驗過程中，車輛行駛至19965Km時，左前鋼板彈簧第一片簧發生中心位置斷裂，見圖 1。據數據顯示，前軸實現載荷為1700Kg，而其理論設計載荷為1615kg, 前軸載荷比理論設計載荷重85Kg。

圖1　斷裂分析

2.1斷片分析

2.1.1材料檢測

鋼板彈簧材料為50CrVA，其化學成分檢測結果見表1。

表1　化學成分（質量分數，%）

鋼板彈簧調質后硬度要求為 HRC42～48，檢測結果為HRC44，符合要求。

脫碳層要求不大于0.1mm，檢測結果為0.09mm，見圖2，符合要求。

圖2　

2.1.2金相檢測

金相組織為索氏體+少量鐵素體，3級，見圖3，滿足金相組織不大于5級要求。

圖3　

2.1.3斷口分析

鋼板彈簧斷裂位置及樣品宏觀如圖4所示，清洗后的斷口宏觀特征如圖5所示。

圖4　

圖5　

從斷口上來初步分析，斷裂起源于圖5上箭頭所示鋼板彈簧上表面的中心孔處，顏色暗淡，橢圓區域內顏色光亮，為鋼板彈簧瞬斷區。中心孔內部為鋼板彈簧自身顏色，無摩擦造成的光亮，說明中心螺栓未發生松動。鋼板彈簧表面的緩沖塊底板壓緊區域內的油漆已經明顯磨損，說明緩沖塊底板已經與鋼板彈簧發生嚴重摩擦，造成的原因可能是騎馬螺栓松動或擰緊力矩不夠，也可能是緩沖塊底板剛度不夠，亦可能兩者兼而有之。

經掃描電鏡分析，板簧的斷裂起始于上表面中心孔處彎曲疲勞斷裂，中心孔處無明顯缺陷，圖6是放大8倍后斷裂起始處特征，圖7是放大440倍斷口裂紋擴展特征，圖8是放大440倍斷口瞬斷區特征。

圖6　

圖7　

圖8　

根據上述檢測數據，排除了可能因材料、工藝問題導致斷裂的原因。

2.2設計校核

根據前軸的實際配載，核算其配載是否超出前鋼板彈簧的承載能力。

2.2.1鋼板彈簧的基本信息

其為少片簧，由三片截面相同鋼板彈簧片組成，圖9為前鋼板彈簧總成，圖10為前鋼板彈簧片半長尺寸。

圖9　

圖10　

表2　

2.2.2應力計算

單邊鋼板彈簧承載

系數1

系數2

其中t為截面厚度，L為厚度變化處到端部卷耳中心長度。

0＜L＜95時

截面系數

應力

95＜L＜560時截面系數

應力

560＜L＜590時截面系數

應力

590＜L＜650時截面系數

應力

其滿載和極限位置時各點應力曲線見圖11、圖12。

圖11　

圖12　

從圖11和圖12可以看出，前鋼板彈簧的最大應力在距離中心位置260~430mm區間內，滿載最大應力為395MPa，極限應力為 738MPa。符合滿載狀態下設計應力不大于450MPa，極限設計應力不大于1000MPa的原則。根據材料力學理論分析，當騎馬螺栓擰緊力矩符合要求，緩沖塊剛度夠大時，鋼板彈簧中心位置不參與鋼板彈簧變形，從而沒有交變應力，但當緩沖塊底板剛度不夠或者騎馬螺栓擰緊力矩不足時，中心位置就會參與鋼板彈簧變形。

根據圖11、圖12可知中心位置無中心孔時，滿載應力為343MPa，極限應力為640MPa。實際上中心位置有一個φ 10.5中心孔，其應力集中系數為1.79，則中心位置應力為：滿載應力 343×1.79=614MPa，極限應力 640×1.79= 1145MPa，遠遠大于滿載狀態下設計應力不大于450MPa，極限設計應力不大于1000MPa的原則。

根據以上理論分析，推測該板簧斷裂原因為緩沖塊剛度不夠，騎馬螺栓擰緊力矩較小，板簧中心區域參與變形，導致中心區域滿載及極限應力遠超設計值，是該板簧斷裂的主要原因。

2.3臺架試驗對比試驗

圖13　原結構前緩沖塊

圖14　新結構緩沖塊

原結構緩沖塊底板由厚度為4mm 的SS400經沖壓、焊接而成，新結構緩沖塊由 QT450-10材料經鑄造后機械加工而成，底板兩端厚度為12mm，為避免接觸面過大而工藝無法保證整個面的平面度導致受力不均，中間部位銑2mm高，厚度為 10mm。采用鑄件的底板其剛性明顯好于沖壓、焊接結構的底板。

圖15　鋼板彈簧應力片位置

圖16　應力測試臺架

模擬鋼板彈簧在整車上的連接方式和簧載質量對鋼板彈簧進行加載，分別用原結構、新結構緩沖塊和騎馬螺栓擰緊力矩90N.m、135 N.m、210 N.m、236 N.m對鋼板彈簧中心位置進行應力測試，具體結果見表2：

表2　

圖17　

從圖17可以看出：

1）隨著擰緊力矩的增加中心位置的應力呈現下降的趨勢；

2）緩沖塊結構更改后中心位置應力下降約30%；

3）在210N.m的擰緊力矩下鋼板彈簧中心位置的應力最小，擰緊力矩再增加時中心位置應力有增加的趨勢，這是由于過大的擰緊力矩對鋼板彈簧施加了過大壓應力導致。

因此，路試中鋼板彈簧斷裂的原因可以認為是由于沖壓、焊接結構的緩沖塊底板剛度過小和騎馬螺栓擰緊力矩154N.m偏小導致。由于8.8級M14×1.5的最大允許擰緊力矩為205N.m，提高擰緊力矩到210N.m，考慮到氣動擰緊工具15%的力矩波動，并為保證其他零部件不發生設計變更，把騎馬螺栓等級由8.8級改為10.9級是最經濟的。更改后重新進行整車12000km道路試驗驗證，試驗結束無任何形式失效，證明更改措施是可行有效的。

3、結論

本文排除了鋼板彈簧因材料不合格、調質處理不當、噴丸不充分、噴丸強度不當、過分預壓等因素導致的鋼板彈簧斷裂原因。著重從緩沖塊底板剛度不足和騎馬螺栓擰緊力矩過小導致板簧斷裂進行了分析和試驗，得出以下結論：

1）少片簧中心斷裂是由于壓板或者緩沖塊底板剛度過小和擰緊力矩偏小導致的；

2）騎馬螺栓的擰緊力并不是越大越好，較大的力矩也會對鋼板彈簧造成過大壓應力，實際所需擰緊力矩應根據試驗結果來定。

以上結論，為汽車鋼板彈簧緩沖塊的設計及騎馬螺栓擰緊力矩的選擇提供了依據及參考。

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[5] QC/T518-2007 汽車用螺紋緊固件擰緊力矩,2007.

Analysis of Front leaf spring break at central position

Wang Sen
( Nanjing IVECO Automobile Co.Ltd, Jiangsu Nanjing 210000 )

This article analyses the cause of front leaf spring central position brokenon a light truckduring the reliabilitytest. Through the designing check, the root cause is that the rigidity of bump stopper block is too small and U- bolts tightening torque is not enough, which will cause central position of front leaf spring deformation. It focuses on different structures of bump stopper and different U-bolts tightening torque affection to the leaf spring center stress, according to thebench test comparison, It findsthe best solution, and found that improved bump stopper bottom structure and enhanced tightening torque of U-bolts will reduce the front leaf spring center stress by about 30%.At last,such solutionwas proved by the vehicle reliability test.

front leaf spring; broken on central; tightening torque

王森，就職于南京依維柯汽車有限公司。

U472

A

1671-7988 （2016）06-167-04