某SUV車型螺旋彈簧斷裂失效分析及優化

李振 杜阿雷 劉超 張樹乾 王猛

摘 要：某SUV車型在耐久試驗過程中，螺旋彈簧上平端第一圈末處發生斷裂。本文針對可能導致螺旋彈簧失效的機理逐一排查分析，找出螺旋彈簧斷裂失效真因，進而對結構或者生產工藝進行優化提升。

關鍵詞：螺旋彈簧；斷裂；失效機理；優化提升

1 概述

某SUV車型在可靠性耐久試驗中先后出現2次螺旋彈簧斷裂（圖1）的嚴重質量問題。據對故障件分析，發生部位均出現上平端第一圈，現從螺旋彈簧材質檢驗、結構設計及工作角度、表面防腐處理工藝等方面進行分析，查明真因并進行優化。

2 原因排查

2.1 螺旋彈簧的材質問題

2.1.1 失效件的材料化驗結果

2.1.2 硬度測試

用洛氏硬度計對斷裂彈簧的硬度進行檢驗，其外層硬度為HRC49，中心處的洛氏硬度是HRC48，在技術要求的HRC47- HRC52范圍內。

2.1.3 斷口分析

由于彈簧斷裂后又經歷了一段氧化腐蝕時間，斷面銹蝕嚴重，經高錳酸鉀溶液清洗后的形貌如圖2所示，由于銹蝕嚴重，清洗后仍有少量的氧化物附著，但仍可看出，裂紋起源

于彈簧內側表面附近，斷口與軸線呈45°螺旋狀，無明顯的塑形變形，斷面上有粗大的裂紋擴展條棱，同時發現還有表面裂紋及內部裂紋。裂紋源表面的形貌如圖3所示，裂紋源處的表面及其粗糙，有麻坑，而相鄰其他地方較為平坦。由于清洗對斷口真實面貌有一定的損傷，電鏡下已分辨不出斷裂機制，但仍留有有用的信息，圖4為斷裂源區形貌，斷面分布有大量的氧化夾雜物，圖5為瞬斷區形貌，斷口有夾雜物形成的孔洞。

2.1.4 金相分析

從斷裂彈簧的斷裂面附近取樣制成金相試樣在顯微鏡下觀察，彈簧橫截面組織如圖6所示，基體為回火屈氏體，表層無脫碳，晶粒細小，有大量的圓斑點物，經能譜分析結果為氧化物類夾雜，縱向組織呈帶狀分布，見圖7。

2.1.5 分析與討論

斷裂彈簧材料的化學成分以及熱處理硬度均合格，滿足性能要求。而斷口分析可知，彈簧斷裂表面有腐蝕麻坑，彈簧內側非接觸面也有麻坑，所以斷裂源區表面損傷不是在彈簧工作時形成的。而金相分析表明，材料內部存在較多的非金屬夾雜物。

一般來說，等徑的壓縮螺旋彈簧承載時，任意徑向橫截面主要受扭轉應力作用，在螺旋彈簧中，由于扭轉力矩中心與彈簧線徑中心不重合，且偏向內側，故彈簧內徑部分的應力大于外徑部分的應力，內側附近有缺陷時，會引起比外側更大的應力集中，斷裂彈簧的斷裂源處存在麻坑缺陷且位置正處于應力最大區。從斷口分析可以看出，彈簧斷裂屬扭轉脆性斷裂，是由最大正應力超高材料的斷裂強度引起的，說明材料的韌性不足，這主要是由于材料過多的夾雜物及材料存在帶狀組織造成的，原材料的冶金質量太差。

2.2 螺旋彈簧的結構設計或布置

2.2.1 結構設計

分析失效件的斷裂區域可以看出，2次斷裂區域均發生在上平端第一圈的末端，而此車型的彈簧設計結構為上平端圈始終與次端圈保持接觸，據此可以判斷斷裂區域可能因彈簧磨平端頭與次端圈接觸設計的壓痕而存在應力集中的問題，同時針對彈簧結構進行CAE運動過程受力分析，如下圖所示，分析結果表明，在螺旋彈簧壓縮到極限時，最大應力點出現在第一圈末端內側的區域，與彈簧斷裂區域基本吻合，最大應力值為1414.9Mpa，盡管未超過材料的1810Mpa的屈服極限，但仍可能是導致斷裂失效的主要因素之一。

2.2.2 螺旋彈簧工作角度分析

通過Catia三維軟件的DMU運動仿真功能可以得到螺旋彈簧的中心軸線從輪跳上極限至輪跳下極限的實際工作中的運動軌跡，如下圖片所示，圖中可以計算出螺旋彈簧的上下極限工作角度，最大工作夾角為29.17°。

在我公司現有車型中，此車型螺旋彈簧的最大工作夾角較為突出，根據螺旋彈簧工作過程受力分析可知，因在上下極限運動過程中實際存在的工作夾角，導致螺旋彈簧除了承受扭轉應力之外，還將受到彎曲應力，此夾角越大，則承受的彎曲應力也越大，對彈簧的疲勞耐久十分不利，據此可以推斷，此車型螺旋彈簧較大的工作角度也是頻繁出現斷裂失效的因素之一。

2.3 表面防腐處理工藝排查

汽車底盤零部件長期處于較惡劣的工作環境中，因此對零部件的表面防腐能力要求較高，從失效件的斷裂區域可以看出，非斷裂區域均也存在較為嚴重的表面銹蝕，故針對此現象進行排查。目前在行業內，螺旋彈簧普遍采用的表面處理工藝為粉末涂層，而粉末涂層主要的技術要求有鹽霧腐蝕試驗、鉛筆硬度、涂層厚度、涂層附著力、涂層耐水性、涂層抗石擊性等，我司針對這些技術要求進行逐一試驗排查，發現此車型的螺旋彈簧的涂層附著力不滿足≤1級的技術標準要求，進一步調查影響到涂層附著力的生產過程工藝，下表為失效件的供應商和某外資彈簧制造供應商的過程工藝對比：

通過上表對比可以清晰的看出，失效件供貨供應商的前處理工藝缺少磷化的工藝。在表面前處理工藝中，磷化的主要作用是提高膜層的附著力以及防腐蝕能力，因此螺旋彈簧制造過程磷化的前處理工藝的缺失也是導致產品斷裂失效的主要因素之一。

3 結構及工藝優化

針對上述分析失效件斷裂的真因分別進行優化，如下：

①針對原材料材質性能不足的問題，選擇高一級的材料SAE9254（SWI-200）替代55CrSi，提高產品使用安全系數，該材料是日本進口坯料，比55CrSi等級高，應力可提高100Mpa。

②針對彈簧端頭結構設計導致應力集中的問題，改變產品結構，端部縮頭，上平端與第二圈不再接觸，具體變更如下：

③優化表面處理工藝，增加磷化的前處理工藝，提高粉末涂層的附著力。

將以上3點優化后的螺旋彈簧裝車后進行可靠性強化腐蝕驗證，未出現彈簧斷裂的質量問題，因此證明優化方案可行，滿足整車可靠性的使用要求。

4 結論

①螺旋彈簧斷裂失效機理較為復雜，并不是由單一因素導致的，需要針對所有可能因素逐一排查。

②SUV車型級別的提升，路試條件的苛刻，以前經濟性轎車的設計理念需要改變，材料使用的安全系數需要提高級別，普通材料已經不能滿足目前設計需要。

③在螺旋彈簧中徑尺寸允許的范圍內，上下端頭盡可能采用縮徑的結構設計，避免線圈之間頻繁接觸存在的接觸應力集中的風險。

④表面防腐處理技術中的前處理工藝對螺旋彈簧的涂層附著力以及防腐能力影響較大。

作者簡介：

李振，男，唐山學院，本科，工作崗位：汽車底盤設計。