工程車平衡懸架鋼板彈簧座疲勞斷裂機理研究

何銘雪 李偉 劉昊東 黃娟 國志鵬 劉瑩

（一汽解放汽車股份有限公司，長春130011）

1 前言

平衡懸架鋼板彈簧座位于工程車車架位置，在工程車行駛過程中平衡懸架鋼板彈簧座利用U型螺栓固定于鋼板彈簧上，起到連接鋼板彈簧和平衡懸架支架的作用，目前平衡懸架鋼板彈簧座的常用材料有鑄鋼材料、高牌號鑄造球鐵材料等高強韌材料。平衡懸架鋼板彈簧座是工程車懸架系統(tǒng)中保證安全性能的關鍵部件，工程車常承擔較大載重、行駛的工況也較為復雜。

為了探究不同工況下平衡懸架鋼板彈簧座的使用壽命，常使用結構仿真分析和道路試驗相結合的方式對平衡懸架鋼板彈簧座的使用工況進行模擬。試驗結果表明，平衡懸架鋼板彈簧座在與U型螺栓配合的圓角根部位置易發(fā)生彎曲疲勞開裂，利用工藝分析、斷口分析、金相檢驗、強度檢測、硬度檢測以及材料疲勞極限檢測等方法對零件斷裂原因進行分析，可綜合總結出平衡懸架鋼板彈簧座的常見失效原因及其解決方案。

2 問題概述

某工程車平衡懸架鋼板彈簧座的宏觀形貌如圖1 所示，其在車架上的裝配位置如圖2 所示。在工程車行駛過程中，利用U 型螺栓將平衡懸架鋼板彈簧座固定于鋼板彈簧上，連接鋼板彈簧和平衡懸架支架，正常情況下平衡懸架鋼板彈簧座主要承受拉壓和彎曲載荷。

圖1 平衡懸架鋼板彈簧座形貌（標記處為斷裂位置）

圖2 平衡懸架鋼板彈簧座安裝位置

工程車平衡懸架鋼板彈簧座在復雜路況下行駛過程中發(fā)生失效斷裂，對平衡懸架鋼板彈簧座的斷裂原因及材料性能進行分析。

3 失效特征

平衡懸架鋼板彈簧座的宏觀斷口形貌如圖3所示，觀察零件的斷口形貌可以分析出，零件的裂紋源位于平衡懸架鋼板彈簧座與U型螺栓配合的圓角根部位置（圖4），在車輛行駛過程中，該位置承受較大的彎曲載荷，零件的斷口為多源彎曲疲勞斷口，斷裂性質(zhì)為多源、高應力、低周次彎曲疲勞開裂。

圖4 零件斷口裂紋源

零件斷裂位置與鑄造分型面相交，如圖5 所示，該位置打磨加工后出現(xiàn)了明顯的打磨棱角，導致該部位對應力集中敏感。

圖5 零件分型面位置

4 根因分析

4.1 結構工藝分析

結合平衡懸架鋼板彈簧座的結構和鑄造生產(chǎn)工藝分析零件的失效原因：結構上，零件斷口裂紋源位置為結構仿真分析中的危險界面位置（圖6），在復雜路面工況下，該位置所受彎曲載荷較大、安全系數(shù)較低，易發(fā)生失效問題。工藝上，零件斷口位置較厚易產(chǎn)生縮松縮孔等缺陷（圖7～圖8），該缺陷會降低零件材料性能及承載截面面積，增大斷面應力。

圖6 零件結構仿真分析

圖7 零件工藝仿真分析

圖8 零件內(nèi)部缺陷

4.2 理化性能分析

4.2.1 強度檢測

在高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座斷口附近取樣，制備成圓柱啞鈴狀拉力試棒，采用電子萬能材料試驗機，試驗方法執(zhí)行國家標準GB/T228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》[1]進行檢驗，鑄鋼材料性能要求執(zhí)行標準GB/T 14408—2014《一般工程與結構用低合金鋼鑄件》[2]，鑄鐵材料性能要求執(zhí)行標準GB/T 24733—2023《等溫淬火球墨鑄鐵件》[3]，檢驗結果見表1～表2。

表1 鑄鋼-平衡懸架鋼板彈簧座強度檢測結果

表2 高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座強度檢測結果

4.2.2 硬度檢測

在高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座斷口附近取樣，預磨拋光后，在布氏硬度計下進行硬度值檢測，試驗方法執(zhí)行國家標準GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》[4]進行檢驗，檢測結果見表3。

表3 高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座硬度檢測結果

4.2.3 金相檢測

在高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座斷口附近取樣，預磨拋光后，在ZEISS 金相顯微鏡下對平衡懸架鋼板彈簧座的石墨形貌進行檢驗，試驗方法執(zhí)行國家標準GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》[5]，用質(zhì)量分數(shù)4%的硝酸酒精腐蝕樣品，在ZEISS 金相顯微鏡下對平衡懸架鋼板彈簧座的組織進行觀察，根據(jù)國家標準GB/T 9441—2021《球墨鑄鐵金相檢驗》[6]對光學顯微鏡下的零件顯微組織進行評定，標準GB/T 24733—2023《等溫淬火球墨鑄鐵件》中規(guī)定該材料的性能要求為：表面金相組織石墨球化級別1～2 級，石墨數(shù)量不低于100 個/mm2。

結果顯示，平衡懸架鋼板彈簧座石墨形態(tài)呈球狀，球化級別為2 級，石墨大小等級為6 級，石墨數(shù)量約為120 個/mm2，基體組織為奧鐵體，零件所用材料符合要求，見圖9～圖10。

圖9 平衡懸架鋼板彈簧座石墨形貌

圖10 平衡懸架鋼板彈簧座基體組織

4.2.4 疲勞極限

選取由平衡懸架鋼板彈簧座的原材料-鑄鋼材料、高牌號鑄造球鐵材料制作成的彎曲疲勞試樣各100 根，根據(jù)國家標準GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法》[7]進行試樣制樣加工及試驗操作，本次試驗的試驗設備為PQ1-6 旋轉彎曲疲勞試驗機，在室溫大氣環(huán)境下利用旋轉彎曲方式進行加載，試驗應力比R=-1，試驗頻率為5000 次/min。

本次旋轉彎曲疲勞試驗用升降法[8]測試材料的疲勞極限（1.0×107次）。按照公式為：

式中：n為有效數(shù)據(jù)點個數(shù)，m為試驗應力水平級數(shù)，vi為在第i級應力水平的數(shù)據(jù)點個數(shù)，σi為第i級應力水平（i=1,2,…,m）。

分別計算兩種材料的旋轉彎曲疲勞極限，得到鑄鋼材料σ-1=522.5 MPa、高牌號鑄造球鐵材料σ-1=322.8 MPa。試驗結果表明平衡懸架鋼板彈簧座生產(chǎn)材料中鑄鋼材料的旋轉彎曲疲勞性能明顯優(yōu)于高牌號鑄造球鐵材料，抗旋轉彎曲疲勞性能更好。

4.3 失效根因分析

4.3.1 工藝結構

平衡懸架鋼板彈簧座的失效形式為多源的高應力、低周次彎曲疲勞斷口。裂紋源處于平衡懸架鋼板彈簧座與U 型螺栓配合的圓角根部位置，該位置較厚大在生產(chǎn)工藝上易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷，在結構上該位置是平衡懸架鋼板彈簧座承受應力最大的位置為零件的危險截面。綜合鑄造生產(chǎn)工藝、結構分析，在該位置容易先發(fā)生失效問題。

4.3.2 材料性能

鑄鋼-平衡懸架鋼板彈簧座的強度性能無異常，現(xiàn)生產(chǎn)件的性能能夠滿足國標性能要求。

高牌號鑄造球鐵-平衡懸架鋼板彈簧座的強度性能、硬度性能無異常，基體石墨為球狀石墨，球化級別為2 級，石墨大小等級為6 級，石墨數(shù)量約為120 個/mm2，基體組織為奧鐵體，現(xiàn)生產(chǎn)件的性能能夠滿足國標材料性能要求。

5 改善措施及建議

在零件選材方面，結合平衡懸架鋼板彈簧座的強度性能和疲勞性能綜合分析，在保障零件承載的情況下，選擇鑄鋼材料生產(chǎn)平衡懸架鋼板彈簧座的可靠性更高、零件的韌性更強、抗彎曲疲勞性能更好。

在生產(chǎn)工藝方面，建議調(diào)整鑄造后的打磨加工工藝，避免在平衡懸架鋼板彈簧座的關鍵部位（如與U 型螺栓配合的圓角位置等應力較大位置）出現(xiàn)明顯的打磨棱角，同時建議調(diào)整鑄造工藝分型面，可將分型面設定在承載較小或?qū)κ褂眯阅苡绊懖淮蟮姆顷P鍵部位。

在零件結構方面，建議優(yōu)化調(diào)整平衡懸架鋼板彈簧座與U 型螺栓配合部位的高度（圖11 標注位置），提升該部位抗彎結構強度，同時加大圓角，減小該部位結構強度的變化，避免應力集中的產(chǎn)生。

圖11 平衡懸架鋼板彈簧座結構優(yōu)化建議

6 結束語

汽車平衡懸架鋼板彈簧座作為工程車懸架系統(tǒng)的關鍵零部件，承擔著連接工程車懸架系統(tǒng)中鋼板彈簧和平衡懸架支架、穩(wěn)定車輛懸架系統(tǒng)平衡的作用，在車輛行駛過程中通常要承受較大的拉壓和彎曲載荷。通過道路試驗檢測平衡懸架鋼板彈簧座在不同工況下的服役壽命，試驗結果表明，平衡懸架鋼板彈簧座容易在與U 型螺栓配合的圓角根部位置發(fā)生多源的高應力、低周次的彎曲疲勞開裂。為了探究平衡懸架鋼板彈簧座的失效原因及解決方案，利用仿真分析、工藝分析、斷口分析、金相檢驗、強度檢測、硬度檢測以及材料疲勞極限檢測等方法對零件斷裂原因進行分析后，得到以下結論。

a.在平衡懸架鋼板彈簧座的現(xiàn)有生產(chǎn)材料中，鑄鋼材料的韌性與抗彎曲疲勞性能明顯優(yōu)于高牌號鑄造球鐵材料，在保證平衡懸架鋼板彈簧座強度的前提下，使用鑄鋼材料平衡懸架鋼板彈簧座的服役壽命更長；

b.結構仿真分析結果顯示平衡懸架鋼板彈簧座上與U 型螺栓配合的圓角位置在車輛行駛過程中承受應力最大，屬于零件的危險截面位置，同時該位置結構較為厚大在鑄造生產(chǎn)過程中也易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷。通過對該位置的結構和鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化，可有效提升該部位的抗彎結構強度，減小該部位結構強度的變化，有效避免了應力集中的產(chǎn)生，提高零件的服役壽命。