重型汽車鋼板彈簧斷裂失效形式及應用現狀

李勇

摘 要：鋼板彈簧（Leaf Spring）是廣泛用于汽車懸架結構的具有一定彈性的元件，由寬度相等長度不相同的復合金屬彈簧片組合而成，該元件各個部位的強度是相等的，可以起到很強的減緩壓力的作用，但是鋼板彈簧由于長期受到大力壓迫導致其在達到一定的承受值后會發生斷裂，本文重點分析了鋼板彈簧斷裂的形式，并提出相關的技術改進方案供相關生產商參考。

關鍵詞：鋼板彈簧；斷裂失效形式；應用現狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.031

車輛在正常行駛時，會受到自身振動和外部一定強度的擠壓力作用，此時鋼板彈簧會壓縮從而吸收車輛的動能，將動能轉化為彈簧的彈性勢能，由此車輛的動能逐漸被轉化，避免了巨大的沖擊作用，起到很好的緩沖效果，使車輛運行更平穩，操作更流暢，安全性更好。當鋼板彈簧承受的壓力過大會發生斷裂失效，下面重點分析鋼板彈簧斷裂的幾種形式。

1 鋼板彈簧斷裂失效的形式

1.1 中心孔失效

中心孔是鋼板彈簧最脆弱的部位，因為鋼板彈簧受到力作用時，其所承受的力會共同作用于中心孔，使其發生斷裂失效。其斷裂時會產生很多裂紋，其位于孔板的結合處，跨越整板。經過專業人員研究發現，該種失效是由于螺栓松動，彈簧承受的作用力被匯集到中心孔，中心孔承受力的表面積小，故而力的強度就大，當強度超過一定的值，孔就斷裂，導致裂紋，隨后彈簧便失效。

1.2 卷耳失效

車輛在行駛過程中會不可避免受到各種摩擦力以及外力碰撞作用，此外，司機在駕駛過程中也會出現掛擋力度過大等不規范的操作，如果卷耳和襯套之間過于緊密，會導致發熱，變硬等現象，這會使鋼板膨脹變大，導致一定的變型，使得彈簧卷上方失效。當車輛行駛過長時間時，卷耳上已有的些許裂紋會進一步加速斷裂，加速彈簧失效的過程。

1.3 腐蝕疲勞

鋼板彈簧持續受力，而且很多零件露天之后會遭到空氣腐蝕，生銹變型，致使彈簧在裂紋處承受力大幅度降低，裂紋便會不斷加深，當達到極限時，彈簧便會斷裂。失效的切面看起來像是一系列同心的半圓形，在腐蝕和摩擦的作用下，裂紋外側變暗。

1.4 微振疲勞

微振疲勞失效發生在板簧片或者板簧與壓板之間，兩者的接觸面以極小的幅度振動并且相互擠壓，兩者的接觸面被磨得十分亮光，周圍會有很多摩擦時留下的粉末，兩者在不斷受力的過程中被損壞，致使彈簧失效，大大減小了彈簧的理論使用壽命。該種失效形式非常常見，也是改善這一情況的重點解決對象。

1.5 應力腐蝕斷裂

應力腐蝕斷裂是應力和腐蝕力疊加作用的效果，當兩種力共同作用時，彈簧發生斷裂，這個過程瞬間發生或者在原先斷紋的基礎上加深斷裂程度，進而失效。應力腐蝕斷裂發生有四個基本要素：

（1）承受力超過極限值，裂紋處更溶于達到該值。

（2）組成成分敏感，當彈簧硬度過高時，容易發生應力腐蝕斷裂。

（3）環境中酸性過大，導致腐蝕嚴重腐蝕性環境。

（4）鋼板承受作用力的時間。

1.6 過載

過載斷裂是因為彈簧承受的力超過了鋼板組成材料的最大承受強度。一旦發生過載斷裂，那么會留下很大切面的斷裂痕跡，且呈發射狀，斷裂特征很明顯，具有一定的辨識性，方便專業人員進行修復。

1.7 原件過熱

在對板簧的處理過程中，需要進行加熱處理，在這個過程中極易出現過熱現象。有時甚至會出現包耳現象。在鋼板出現過熱現象時，其晶體粒子就會變得非常粗大，如果將其持續加熱，使其溫度超過1260度時，其晶體界面會溶解，出現過燒現象。當一個鋼板出現了過燒情況，就沒有辦法再通過其他處理方法進行補救了。如果使用的板簧出現了過燒現象，即使其硬度沒有發生很大的改變，但是會變得極其容易斷裂，從而受到稍微的撞擊時就會斷裂。

2 鋼板彈簧材料在重型汽車上的應用現狀

目前，重型汽車使用的鋼板彈簧有多片簧和少片簧，占車重比例不算大，18%左右。據可靠調查，彈簧生產商使用最多的是Si-Mn系、Cr-V系、Cr-Mo-V系等。了解相關汽車行業，可以知道重型汽車多片簧使用60Si2Mn、50CrV，少片簧使用51CrV4、52CrMoV。歐洲鋼板彈簧廣泛使用的彈簧鋼有55Cr3、51CrV4、52CrMoV。日本鋼板彈簧廣泛使用的彈簧鋼有SUP9、SUP10。美國鋼板彈簧廣泛使用的彈簧鋼有SAE9260、SAE6150、SAE5160、SAE51B60。

鋼板彈簧經過很高溫度和很大熱度的處理后，并不能直接成形。通常根據彈簧切面的大小選擇各方面均合適的鋼種，通過查閱相關研究文獻可知，淬透性是判定彈簧鋼性能好壞的重要指標。鋼板彈簧都要經過淬火和回火來獲取組織：細小的晶粒、基體相α 固溶體（回火馬氏體）中有較高的位錯密度和在基體中大量地存在彌散和均勻分布的碳氮化物質點。高熱處理之后的硬度是彈簧使用時的強度表征，也可通過硬度值估算彈簧鋼的彈性極限和疲勞強度。淬火和回火硬度在500HBS以下時，硬度和疲勞強度呈線性關系，但硬度高時，會使彈簧鋼的缺口敏感性增強，剛度和塑性下降。鋼中的夾雜物和表面的缺陷都會成為疲勞裂紋源增加早期失效的危險。通常板簧的硬度國內要求375-444HBW，美國為388-461HBW，歐洲為426-514HBW。

3 結語

鋼板金屬材料在生活中的使用是極其廣泛的。充分了解其作用環境及條件能夠很好的延長零件壽命，提高安全保障。本文針對鋼板的各種易斷裂情況進行了綜合分析，即分析了鋼板彈簧容易斷裂失效的一些常見因素，又針對其在汽車上的使用情況做出了一些分析并提出了一些自己的建議。科學技術的長足進步不僅促進了各種鋼材制品的迅速發展，同時也提高了各行各業的安全保障，降低了事故的發生概率，為企業的發展提供更為廣闊的舞臺，促進了我國工業的快速發展。

參考文獻：

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