工程車鋼板彈簧中心孔斷裂故障和懸架結構的關系分析

劉 峰，常德杲

（1.中國重汽集團濟南卡車股份有限公司，山東 濟南 250001；2.濟南方大重彈汽車懸架有限公司，山東 濟南 250400）

汽車鋼板彈簧設計制造是汽車底盤設計的重要組成部分，關系到汽車的操縱行駛穩定性、行駛舒適性、行駛平順性、行駛安全性和燃油經濟性，它在汽車上顯然非常重要，不可忽視。汽車鋼板彈簧的性能要有緩沖、減震、儲能、連接、乘載、傳力的作用。其工作環境、受力情況十分復雜和苛刻，因此它是個易損部件，必須能夠承受拉應力、壓應力、彎曲應力、扭曲應力、沖擊應力和疲勞應力，并且要求使用可靠，壽命要盡量長。汽車懸架是整車的一個系統，并非鋼板彈簧單獨構成，其他還有U 型螺栓、板簧壓板、平衡軸殼、板簧端部支座等相關零部件組成，各組件之間的相互匹配對鋼板彈簧的壽命有著至關重要的影響。

1 工程車輛發展趨勢

工程車是國家基建的主干力量，正是由于它們的出現，才使得國家基礎建設項目進度倍增，大大減少了人力資源的付出，提高了工程項目速度。工程類專用車市場主要以攪拌車和土建工程車為主，工程車的銷量增速與國內固定資產投資增速呈正相關關系，自2020 年受大量基建項目集中開工的影響，工程車銷量同比大幅增長，國內如三一汽車、中聯重科的工程車銷量旺盛。作為國家宏觀經濟調控的重要手段之一，基建在我國多次的“黑天鵝”事件發生時，均扮演了支撐經濟發展，激發市場活力的重要角色。根據中汽數據統計，2020 年有超過2.3 萬億元的重大交通項目工程獲得批復，2020 年基建項目的推進，將對工程類專用車的市場發展起到強有力的支撐作用，因此，2021～2026 年，中國的工程類專用車的需求量將呈現上升的態勢。同時也清楚地看到，為應對氣候變化，推動以二氧化碳為主的溫室氣體排出，中國提出，力爭在2030 年實現“碳達峰”，努力爭取到2060 年實現“碳中和”，作為碳排放的“大戶”，汽車行業首當其沖，輕量化是汽車行業節能減排的重要途徑，也是“碳中和”大背景下的汽車行業的重要發展方向，有實驗室數據表明，汽車重量每減重30%，燃油效率可提高20%～24%，二氧化碳排放降低20%，從汽車行業當前的特點看，單純地依靠設計的優化已經不能滿足環保上降耗和減排的要求，因此，汽車自身的輕量化已成為未來發展的必經之路，也是各大汽車公司競相研究的關鍵技術。

從產品供應鏈系統分析，鋼板彈簧的輕量化技術是整車降重的重要組成部分，因此工程車鋼板彈簧的配置由等截面多片簧向變截面少片簧發展已經成為必然的趨勢，這就使得鋼板彈簧的設計從傳統多片鋼板彈簧逐漸向少片變截面鋼板彈簧的方向發展。相較于傳統的多片簧，少片簧具有以下優點：

（1）容易做成等應力梁，彈簧的應力分布更加合理，使材料得到充分利用，在保證同樣性能的前提下，質量通常可以減少30%～40%。

（2）少片簧由于片數少，可以通過更完善的彈簧加工方法，例如，強化處理、片間處理和噴涂涂料等，使彈簧的壽命明顯提高。

（3）降低了總成高度，使整車質心降低，從而提高汽車行駛穩定性安全性、平順性和操縱穩定性。

2 鋼板彈簧失效模式簡要分析

鋼板彈簧的失效模式主要有：過量的塑形變形、斷裂失效、應力腐蝕失效、磨損失效、偏軟失效等。其中，斷裂失效又分為：脆性斷裂和疲勞斷裂，下面就脆性斷裂和疲勞斷裂做簡要分析。

2.1 脆性斷口

脆性斷裂斷口上有明顯的“人”字紋，“人”字的頭部指向裂紋源，如圖1 所示。

圖1 脆性斷口

2.1.1 其失效特征為

（1）構件破壞之前沒有或只有局部的輕微的塑性變形。

（2）斷裂源總是發生在缺陷處或幾何形狀突變的凹槽、缺口等處，也有裂紋源由疲勞損傷處引起的。

（3）斷口形貌平直，斷面與拉應力方向垂直，斷口上有放射條紋，放射條紋的收斂點為斷裂源。

（4）一旦發生開裂，擴展速度極快。

2.1.2 其發生主要原因

（1）構件存在應力集中，如構件存在表面缺口、裂紋、幾何形狀突變等缺陷。

（2）構件承受的應力（內外部）超過其抗拉強度。

（3）雜質元素在晶界偏聚導致晶界強度不足。

（4）環境介質引起的脆斷（如應力腐蝕）等。

（5）高、低溫引起的脆斷。

2.2 疲勞斷口

疲勞斷裂斷口形貌為典型的“貝紋線”形貌，斷口有“疲勞源區、裂紋擴展區和快速擴展區、瞬時斷裂區”部分，如圖2 所示。

圖2 疲勞斷口

2.2.1 疲勞斷裂常見位置

疲勞斷裂常見位置有：零件的尖角、凹槽或材料的夾雜、空洞、微裂紋等應力集中處。

2.2.2 其常見原因

（1）車輛超載、服役工況惡劣。

（2）懸架系統結構設計不合理，U 型螺栓松動。

（3）構件上有尖角、鍵槽等應力集中區。

（4）構件表面存在凹坑、折疊、加工刀痕等缺陷。

（5）熱處理缺陷：如表面脫碳、過熱。

（6）材料強度不足。

2.3 失效分析方法

2.3.1 斷口宏觀分析，其步驟為

（1）確定裂紋源和斷裂形式。

（2）查看并分析該失效件及匹配斷口、相關零部件的裂紋源處及其附近的宏觀情況。

（3）測量并記錄斷口部位幾何尺寸。

2.3.2 斷口微觀分析，其步驟為

（1）取樣：取樣需具有代表性，包括裂紋源；相同的失效形式、部位等。

（2）依據產品的內在質量項目進行分析（硬度；必要時化學成分；金相組織；脫碳層深度；材料的低倍組織；斷裂形式：穿晶或沿晶）。

2.3.3 服役情況、過程參數、設計輸出分析

（1）掌握失效件的受力情況和使用環境數據。

（2）對失效件過程參數進行追溯。

（3）對失效件的受力情況進行分析；設計輸出進行校核。

（4）調查失效件是系統性或獨立性、過去有否類似的失效。

3 工程車懸架系統結構和鋼板彈簧中心孔斷裂的關系分析

汽車懸架是汽車上的主要部件。車身與車輪要靠懸架來彈性地連接、傳遞作用在車輪和車身之間的所有力和力矩，緩和由不平路面傳遞給車身的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引起的承載系統的振動，保證汽車的正常行駛。

懸架對汽車的行駛平順性、穩定性、通過性、燃料經濟性、制動性影響都很大。良好的汽車行駛平順性不僅能保證乘員的舒適性與貨物的完整無損，而且還可以提高運輸生產率，降低燃料消耗，延長零件使用壽命和提高零件的工作可靠性，行駛穩定性直接影響汽車的安全行駛。因此在選擇懸架結構型式、參數、導向機構時，應滿足這些性能的要求。

汽車的懸架系統主要由彈性原件、減震器和導向機構組成，文章所述工程車懸架系統有關零部件有：鋼板彈簧、板簧壓板、U 型螺栓、U 型螺栓鎖緊螺母、平衡軸殼等。

變截面少片簧一般配置在牽引汽車上，其服役工況較好，行駛過程中，車輛運行平穩，鋼板彈簧振幅趨于穩定狀態，也不會頻繁產生超出極限應力的瞬間沖擊，其使用壽命較長，售后問題反饋較少，鑒于牽引車車輛較好的服役工況，其懸架系統剛度在設計余量上預留較小，可進一步保證整車的輕量化設計，目前國內的各大汽車公司在此懸架設計和配置上均能較好地滿足整車質量要求，市場反饋良好。

但隨著變截面少片簧逐步應用于工程車輛，特別是載貨車、攪拌車等車型上，車輛主要服役于各基建工地、甚至是礦區，道路條件惡劣，并存在超載問題，懸架系統仍然沿用牽引車車型的懸架結構，就造成懸架系統剛度不足，不能滿足實際的工況需求，市場問題反饋較為尖銳。

文章就介紹一種因懸架系統結構配置不合理造成鋼板彈簧售后批量質量事故的案例，說明懸架系統配置的重要性。

3.1 問題背景

某公司新開發的水泥攪拌車車型，市場發生鋼板彈簧中心孔批量斷裂質量事故，故障里程1.5×104～2×104km，屬于產品早期斷裂失效。

該懸架系統結構采用：斜拉式雙U 型螺栓夾緊結構、搭配變截面少片鋼板彈簧，通過板簧上壓板和平衡軸殼夾緊，將鋼板彈簧連接與車架上。具體連接結構見圖3 所示。

圖3 懸架系統夾緊結構

3.2 鋼板彈簧故障件分析

3.2.1 斷口宏觀分析

從圖4 所示的疲勞斷口可見，疲勞裂紋源位于中心孔的兩側，裂紋擴展區很小，不超過整體斷面的5%，是非常典型的中心孔疲勞斷裂斷口，且鋼板彈簧中心孔附近區域約60 mm 內存在明顯的磨損，說明車輛在運行過程中，板簧片之間發生了相對運動，和理論“U型螺栓夾緊后，板簧中部近似為一剛性體，中心孔部位不受力”存在明顯的差異性，這就表明懸架系統剛度未得到保證。

圖4 故障件形貌

3.2.2 故障件微觀分析

（1）對故障件進行微觀分析，金相組織3 級（呈帶狀分布的回火屈氏體），滿足金相組織1～5 級的技術要求，見圖5 所示。

圖5 500 倍顯微鏡下的金相組織

（2）產品硬度HB420。

（3）脫碳層深度0.08 mm。

（4）材質化學元素含量合格。

結論：故障件微觀組織均符合產品技術要求。

3.2.3 車輛服役情況分析

經實地對車輛服役工況進行調查取證，道路凹低不平、彎道較多，車輛制動頻繁。車輛服役路況見圖6 所示。

圖6 車輛服役路況

3.2.4 懸架系統結構分析

從圖3 可以看出，此攪拌車車型的懸架系統結構尺寸設計明顯不合理：板簧上壓板尺寸過短，有效長度僅有90 mm 左右，U 型螺栓加緊距設計過小，扭緊力矩不足，車輛在運行過程中，顛簸導致U 型螺栓松動，懸架結構失穩，從而鋼板彈簧中心孔部位承受彎矩作用。

經在用戶現場采用扭力扳手測量故障車輛的U 型螺栓扭緊力矩，發現U 型螺栓鎖緊螺母已完全松動，U 型螺栓已經失去扭緊作用。現場復緊U 型螺栓，第二天再行測試U 型螺栓扭緊力矩，左側鋼板彈簧的U型螺栓已經松動，說明此懸架結構夾緊效果不可靠。

由于U 型螺栓已失去夾緊作用，車輛載重后，力矩傳遞到鋼板彈簧的中心孔位置，此處抗彎截面系數W 變小，導致中心孔所受應力變大，且中心孔的存在會引發應力集中，特別是中心孔的邊緣往往是尖角結構，也會引發尖角敏感性。鋼板彈簧中心孔部位長期受到大的交變應力作用，發生早期斷裂失效，中心孔應力見下述計算。

3.2.5 鋼板彈簧中心孔受力計算

（1）U 型螺栓有效夾緊狀態下，懸架系統的鋼板彈簧中心孔部位近似于剛性體，中心孔部位受力接近為零。

（2）U 型螺栓松動后，計算中心孔部位應力：

σ 為應力；M 為彎矩：M=F＊L；F 為板簧片所受載荷；L 為力臂；W 為截面慣性系數：W=BH2；B 為板簧片寬度，在中心孔處應去除中心孔直徑來計算；H 為板簧片厚度。

計算結果：將相關載荷和板簧數據帶入公式1，計算得出板簧中心孔部位應力為：929 MPa，遠遠超過鋼板彈簧設計控制標準。

4 結論

從上述對鋼板彈簧中心孔斷裂的分析，可以確定懸架夾緊系統的結構設計不合理是導致鋼板彈簧中心孔斷裂的主要原因，此懸架結構剛度不足，U 型螺栓易松動，進而導致鋼板彈簧中心孔斷裂。

整車的輕量化設計已成為不可阻擋的發展趨勢，因此工程車大批量配置變截面少片簧也勢在必行，但是，怎樣在這樣的趨勢下，即能保證整車的輕量化，又能兼顧整車的安全性、可靠性，搶占設計先機，贏得良好的市場份額和客戶口碑，也是各大汽車公司需要思考和解決的問題。