微型貨車后鋼板彈簧斷裂原因研究

張 勇 Zhang Yong

微型貨車后鋼板彈簧斷裂原因研究

張 勇
Zhang Yong

（江西昌河汽車有限責任公司技術中心 整車管理部，江西 景德鎮 333002）

微型貨車是城鄉貨運的主要工具之一，鋼板彈簧作為車輛的承載部件會影響行車安全。針對某微型貨車后鋼板彈簧的副簧斷裂失效問題，從副簧斷裂口宏觀形貌、材料成分、硬度、金相組織、后鋼板彈簧整車布置及承載力校核等方面進行詳細分析，得到后鋼板彈簧副簧的斷裂機理。結果表明：副簧斷裂口宏觀形貌存在多個疲勞區，材料成分符合60Si2Mn要求，硬度為42.35 HRC，金相組織為回火屈氏體，后鋼板彈簧的主簧承受6 669 N載荷時應力為450.7 N/mm2，副簧承受2 641 N載荷時應力為248.8 N/mm2，均符合設計要求；但后鋼板板簧與梁架上支點間距離設置不合理，較小的距離使副簧起作用較早，且支架與副簧開始時為單邊接觸，不利于整架板簧均衡承載，最終導致副簧早期疲勞斷裂。

微型貨車；后鋼板彈簧；斷裂失效；早期疲勞斷裂

0 引 言

隨著國內經濟的快速發展，城鄉基礎建設得到明顯改善，縣鄉公路網絡持續完善，微型貨車替代農用車成為小宗商品，如水果、蔬菜、水產品等的主要運輸工具[1]。根據微型貨車功能和使用特點，其懸架結構形式主要以鋼板彈簧式非獨立懸架為主。鋼板彈簧作為車輛的承載部件，是行車安全的重要影響因素之一。

針對某微型貨車整車在道路試驗中后鋼板彈簧的副簧發生斷裂失效的問題，從板簧斷裂口宏觀形貌、材料成分、硬度、金相組織、整車布置及承載力校核等方面進行了詳細分析，得到后鋼板彈簧副簧的斷裂機理，為微型貨車鋼板彈簧設計提供一定的理論指導。

1 問題說明

隨機選取兩輛某微型貨車進行整車道路試驗，路試總里程為25 000 km。當路試進行到15 400 km時，對整車進行檢查時發現其中一輛車后鋼板彈簧的第1片副簧發生斷裂，另一輛車副簧出現裂紋，隨后為兩輛車更換新的鋼板彈簧繼續進行道路試驗。當兩輛車完成整個道路試驗后，檢查后鋼板彈簧時，發現已更換了鋼板彈簧的兩輛試驗車均出現第1片副簧斷裂失效，斷裂形式如圖1所示。因此，對后鋼板彈簧的副簧斷裂原因進行分析，優化微型貨車后鋼板彈簧的設計及布置，提高車輛的質量。

圖2為正常后鋼板彈簧示意圖。該微型貨車的后鋼板彈簧由7片主簧、4片副簧以及主簧和副簧間1片墊片共同構成，每片副簧的厚度為7 mm。斷裂的副簧長度為460 mm，左右端斷裂后，剩下部分[YN12] ，如圖1所示。圖3為后鋼板彈簧在整車上的布置圖。由圖3可知，車架上設置了前、后兩個支架，在整車承受載荷時，副簧首先與副簧支架接觸，副簧起作用承受載荷。副簧支架的設置問題是副簧出現斷裂失效的主要原因。

圖1 后鋼板彈簧斷裂件示意圖

圖2 后鋼板彈簧示意圖

圖3 后鋼板彈簧整車布置圖

2 原因分析

2.1 宏觀形貌分析

圖4為第1片副簧斷裂件斷口的宏觀形貌圖。由圖4可知，斷口存在A、B、C 3個主要疲勞起源區，然后逐漸擴展，最終撕裂斷開。主要原因為裝配前主、副簧中間墊片為直片，裝配后墊片被壓成與主簧第1片凹面及副簧第1片凸面等曲率，墊片由平面變弧形，墊片兩端與副簧第1片凸面形成較大的接觸應力，并在墊片的尖角部位（A、B、C 3個區域）形成應力集中點，路試過程中，在應力集中點處形成疲勞起源區。整車道路試驗中，由于路況復雜，車輪不斷上下跳運動，后鋼板彈簧受到交變應力的作用，在應力集中部位發生早期疲勞斷裂[2-3]。

圖4 斷裂件宏觀形貌圖

2.2 材料成分分析

截取斷裂片板簧作為化學分析的材料試樣，采用DV-2型只讀光譜儀對試樣成分進行分析，測試結果見表1。

表1 化學成分（質量分數） %

由表1可知，各元素均符合GB/T 1222—2007標準中60Si2Mn材料的要求，表明副簧的材質符合設計要求，副簧斷裂問題與材質無關。

2.3 硬度與金相組織分析

在第1片副簧斷裂的左、右斷裂件靠近斷裂口位置各隨機選取3個點作為硬度檢測點，并采用HR-150A洛氏硬度計進行測試，測試結果為42.1、42.5、42、42.7、42.2、42.6 HRC，6個測試點的硬度值均符合設計要求42~43 HRC，表明副簧斷裂與硬度無直接關系。

在副簧斷裂片斷口未經腐蝕情況下，采用光學金相顯微鏡觀察斷口金相組織，金相組織如圖5所示。由圖5可知，副簧斷裂片的金相組織基體為回火屈氏體，其中白色點狀物為碳化物組織，回火屈氏體有較高的屈服極限及彈性極限[4]，從金相組織可確定副簧斷裂與熱處理工藝無關，進一步表明后鋼板彈簧的熱處理工藝符合設計要求。

圖5 金相組織圖

2.4 整車布置校核

對后鋼板彈簧斷裂件進行弧高測量，左右件的總弧高測試值分別135 mm、134 mm[YN13] ，副簧弧高測試值分別為57 mm、57 mm，后鋼板彈簧弧高設計為：總弧高（132±6）mm、副簧弧高（55±6）mm，路試后鋼板彈簧樣件的弧高均符合設計要求。

實車測量，副簧前點與副簧支架的距離為38 mm，副簧后點與副簧支架的距離為62 mm，前、后距離值差異較大，并且均小于設計值75mm，導致副簧起作用過早，且副簧前、后受力不均，引起早期疲勞斷裂。

副簧支架與副簧接觸點為不完全接觸，會使后鋼板彈簧的受力均衡性被破壞，副簧受力不平衡易引起疲勞斷裂。從整車道路試驗后鋼板彈簧的副簧摩擦痕跡可知，副簧支架與副簧單邊接觸，如圖6所示，副簧支架的設置不合理是引起副簧斷裂的主要原因[5]。

圖6 副簧支架接觸部位局部圖

2.5 承載力校核

對整車道路試驗后的后鋼板彈簧進行滿載靜應力測試，測試結果為：主簧承受6 669 N載荷時，靜應力為450.7 N/mm2，副簧承受2 641 N載荷時，靜應力為248.8 N/mm2。根據鋼板彈簧一般設計要求，車輛滿載下主簧的靜應力為450～540 N/mm2，副簧的靜應力為200～250 N/mm2。可以看出，后鋼板彈簧靜應力均符合設計要求，表明后鋼板彈簧承載力設計正確，不是因為承載力不足引起副簧斷裂。

3 結 論

（1）后鋼板彈簧的第1片副簧斷裂口宏觀形貌存在多個疲勞起源區，在交變應力作用下，導致第1片副簧發生早期疲勞斷裂。副簧材料成分符合60Si2Mn要求，硬度為42.35 HRC，金相組織為回火屈氏體，鋼板彈簧的主簧承受6 669 N載荷時應力為450.7 N/mm2，副簧承受2 641 N載荷時應力為248.8 N/mm2，均符合設計要求。

（2）后鋼板板簧與梁架上支點間距離設置不合理是第1片副簧早期疲勞斷裂的主要原因。較小的距離引起副簧起作用較早，且支點與副簧開始時為單邊接觸，不利于整架板簧均衡承載，最終導致副簧早期疲勞斷裂。

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U463.33+4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.05.013

1002-4581（2019）05-0044-03

2019-08-30