工程車鋼板彈簧中心孔斷裂故障和懸架結(jié)構(gòu)的關(guān)系分析

劉 峰，常德杲

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

汽車鋼板彈簧設(shè)計制造是汽車底盤設(shè)計的重要組成部分，關(guān)系到汽車的操縱行駛穩(wěn)定性、行駛舒適性、行駛平順性、行駛安全性和燃油經(jīng)濟(jì)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(huán)境、受力情況十分復(fù)雜和苛刻，因此它是個易損部件，必須能夠承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭曲應(yīng)力、沖擊應(yīng)力和疲勞應(yīng)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(tǒng)，并非鋼板彈簧單獨構(gòu)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(guān)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(guān)重要的影響。

1 工程車輛發(fā)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(xiàn)，才使得國家基礎(chǔ)建設(shè)項目進(jìn)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(nèi)固定資產(chǎn)投資增速呈正相關(guān)關(guān)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(nèi)如三一汽車、中聯(lián)重科的工程車銷量旺盛。作為國家宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控的重要手段之一，基建在我國多次的“黑天鵝”事件發(fā)生時，均扮演了支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展，激發(fā)市場活力的重要角色。根據(jù)中汽數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020 年有超過2.3 萬億元的重大交通項目工程獲得批復(fù)，2020 年基建項目的推進(jìn)，將對工程類專用車的市場發(fā)展起到強(qiáng)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(xiàn)上升的態(tài)勢。同時也清楚地看到，為應(yīng)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(xiàn)“碳達(dá)峰”，努力爭取到2060 年實現(xiàn)“碳中和”，作為碳排放的“大戶”，汽車行業(yè)首當(dāng)其沖，輕量化是汽車行業(yè)節(jié)能減排的重要途徑，也是“碳中和”大背景下的汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向，有實驗室數(shù)據(jù)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(yè)當(dāng)前的特點看，單純地依靠設(shè)計的優(yōu)化已經(jīng)不能滿足環(huán)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(fā)展的必經(jīng)之路，也是各大汽車公司競相研究的關(guān)鍵技術(shù)。

從產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)分析，鋼板彈簧的輕量化技術(shù)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(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢，這就使得鋼板彈簧的設(shè)計從傳統(tǒng)多片鋼板彈簧逐漸向少片變截面鋼板彈簧的方向發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的多片簧，少片簧具有以下優(yōu)點：

（1）容易做成等應(yīng)力梁，彈簧的應(yīng)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(zhì)量通常可以減少30%～40%。

（2）少片簧由于片數(shù)少，可以通過更完善的彈簧加工方法，例如，強(qiáng)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(zhì)心降低，從而提高汽車行駛穩(wěn)定性安全性、平順性和操縱穩(wěn)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(yīng)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(gòu)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(fā)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(yīng)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(fā)生開裂，擴(kuò)展速度極快。

2.1.2 其發(fā)生主要原因

（1）構(gòu)件存在應(yīng)力集中，如構(gòu)件存在表面缺口、裂紋、幾何形狀突變等缺陷。

（2）構(gòu)件承受的應(yīng)力（內(nèi)外部）超過其抗拉強(qiáng)度。

（3）雜質(zhì)元素在晶界偏聚導(dǎo)致晶界強(qiáng)度不足。

（4）環(huán)境介質(zhì)引起的脆斷（如應(yīng)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(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)、瞬時斷裂區(qū)”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(yīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，U 型螺栓松動。

（3）構(gòu)件上有尖角、鍵槽等應(yīng)力集中區(qū)。

（4）構(gòu)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(qiáng)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(guān)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(jù)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量項目進(jìn)行分析（硬度；必要時化學(xué)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(shù)、設(shè)計輸出分析

（1）掌握失效件的受力情況和使用環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）對失效件過程參數(shù)進(jìn)行追溯。

（3）對失效件的受力情況進(jìn)行分析；設(shè)計輸出進(jìn)行校核。

（4）調(diào)查失效件是系統(tǒng)性或獨立性、過去有否類似的失效。

3 工程車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和鋼板彈簧中心孔斷裂的關(guān)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?zhèn)鬟f給車身的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車的正常行駛。

懸架對汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過性、燃料經(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(wěn)定性直接影響汽車的安全行駛。因此在選擇懸架結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時，應(yīng)滿足這些性能的要求。

汽車的懸架系統(tǒng)主要由彈性原件、減震器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，文章所述工程車懸架系統(tǒng)有關(guān)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(wěn)，鋼板彈簧振幅趨于穩(wěn)定狀態(tài)，也不會頻繁產(chǎn)生超出極限應(yīng)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(tǒng)剛度在設(shè)計余量上預(yù)留較小，可進(jìn)一步保證整車的輕量化設(shè)計，目前國內(nèi)的各大汽車公司在此懸架設(shè)計和配置上均能較好地滿足整車質(zhì)量要求，市場反饋良好。

但隨著變截面少片簧逐步應(yīng)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(qū)，道路條件惡劣，并存在超載問題，懸架系統(tǒng)仍然沿用牽引車車型的懸架結(jié)構(gòu)，就造成懸架系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)配置不合理造成鋼板彈簧售后批量質(zhì)量事故的案例，說明懸架系統(tǒng)配置的重要性。

3.1 問題背景

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

該懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用：斜拉式雙U 型螺栓夾緊結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)見圖3 所示。

圖3 懸架系統(tǒng)夾緊結(jié)構(gòu)

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(cè)，裂紋擴(kuò)展區(qū)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(qū)域約60 mm 內(nèi)存在明顯的磨損，說明車輛在運行過程中，板簧片之間發(fā)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(tǒng)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(jìn)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(shù)要求，見圖5 所示。

圖5 500 倍顯微鏡下的金相組織

（2）產(chǎn)品硬度HB420。

（3）脫碳層深度0.08 mm。

（4）材質(zhì)化學(xué)元素含量合格。

結(jié)論：故障件微觀組織均符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

3.2.3 車輛服役情況分析

經(jīng)實地對車輛服役工況進(jìn)行調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

從圖3 可以看出，此攪拌車車型的懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)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(shè)計過小，扭緊力矩不足，車輛在運行過程中，顛簸導(dǎo)致U 型螺栓松動，懸架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而鋼板彈簧中心孔部位承受彎矩作用。

經(jīng)在用戶現(xiàn)場采用扭力扳手測量故障車輛的U 型螺栓扭緊力矩，發(fā)現(xiàn)U 型螺栓鎖緊螺母已完全松動，U 型螺栓已經(jīng)失去扭緊作用。現(xiàn)場復(fù)緊U 型螺栓，第二天再行測試U 型螺栓扭緊力矩，左側(cè)鋼板彈簧的U型螺栓已經(jīng)松動，說明此懸架結(jié)構(gòu)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(shù)W 變小，導(dǎo)致中心孔所受應(yīng)力變大，且中心孔的存在會引發(fā)應(yīng)力集中，特別是中心孔的邊緣往往是尖角結(jié)構(gòu)，也會引發(fā)尖角敏感性。鋼板彈簧中心孔部位長期受到大的交變應(yīng)力作用，發(fā)生早期斷裂失效，中心孔應(yīng)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(tài)下，懸架系統(tǒng)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(yīng)力：

σ 為應(yīng)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(shù)：W=BH2；B 為板簧片寬度，在中心孔處應(yīng)去除中心孔直徑來計算；H 為板簧片厚度。

計算結(jié)果：將相關(guān)載荷和板簧數(shù)據(jù)帶入公式1，計算得出板簧中心孔部位應(yīng)力為：929 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼板彈簧設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是導(dǎo)致鋼板彈簧中心孔斷裂的主要原因，此懸架結(jié)構(gòu)剛度不足，U 型螺栓易松動，進(jìn)而導(dǎo)致鋼板彈簧中心孔斷裂。

整車的輕量化設(shè)計已成為不可阻擋的發(fā)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(shè)計先機(jī)，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。