基于汽车钢板弹簧断裂失效研究

基于汽车钢板弹簧断裂失效研究

罗刚 吴国安 詹家杰 吴少兵

湖北省机电研究设计院股份公司 430061

摘要：汽车是我们日常生活中常见的一个交通工具，为人们出行提供了很多便捷，而钢板弹簧是汽车悬架系统中的重要零件，倘若其出现问题，会对驾驶人员带来一定的影响。其中致使汽车钢板弹簧断裂失效的原因，也来自方方面面，本文则主要针对弹簧断裂失效的主要形式进行了分析，同时也提出一些可行的改进方法，希望以此来确保钢板弹簧处于有效状态，这不仅可以保障车辆的安全性和可靠性，也可以极大的降低安全事故的发生概率。

关键词：汽车；钢板弹簧；断裂失效；研究

前言：

社会经济的发展促进了我国汽车行业的发展，而汽车也成为人们生活中不可缺少的一部分。通常情况下，车辆在正常行驶时，会受到自身震动或者是外部因素的影响，而致使钢板弹簧出现一些问题，其中当应力超过钢板弹簧自身承受能力时，就会出现断裂而失效，这难以保障驾驶人员的生命安全。因为作者多年从事钢板弹簧的质量检测及失效分析，所以根据自身工作经验提出几点改进方法，希望以此来尽量避免钢板弹簧断裂失效问题的出现，切实保障驾驶人员的生命安全。

1. 汽车钢板弹簧断裂失效主要形式

1. 中心孔失效

现阶段，汽车钢板弹簧断裂失效的形式很多，具体从以下进行分析。第一，中心孔失效，中心孔本身就是钢板弹簧最为脆弱的部分，一旦其失效，就会导致车辆过程中出现诸多问题，严重者还会引发安全事故^[1]。致使中心孔失效的原因，可能是由于螺栓松动，造成弹簧承受的作用力被汇聚到中心孔，也可能是由于其他原因，比如：当中心孔的承受力的表面积变小时，也会致使其产生裂纹，此时的钢板弹簧会失去作用，这会影响到汽车的正常行驶，针对此类问题我们要采取措施进行处理。

2. 板簧卷耳失效

板簧卷耳失效，也是汽车钢板弹簧断裂失效的一个主要形式，他对驾驶人员所带来的影响也比较大。汽车在行驶过程中难免会遇到各种摩擦力或者是外力的碰撞作用，导致板簧卷耳处于失效的状态，致使此类问题出现的原因，我们从以下分析：第一点，可能是由于驾驶人员在驾驶过程中因操作不规范，例如急停或快速换挡引起汽车非正常窜动，长期之后会致使板簧卷耳处于失效状态，很难保障车辆运行的平顺性。第二点，也可能是由于卷耳与衬套之间过于紧密配合，在相互摩擦时会导致其发热，这样也会因此而导致钢板变形，从而出现裂纹，长此以往，出现宏观断裂^[2]。

3. 腐蚀疲劳失效

钢板弹簧在车辆行驶时往往因遭到空气的腐蚀，而出现生锈等现象，甚至出现点蚀或微小凹坑而造成应力集中，若不能及时保养，就会致使腐蚀情况越来越严重，从而致使钢板弹簧承受能力大幅度下降，应力集中处产生腐蚀疲劳失效，间接性也会致使驾驶人员在驾驶车辆过程中出现问题。此外，由于腐蚀问题的存在，也会致使已经出现的钢板弹簧裂纹不断加深，当达到一定极限时会出现断裂，从而难以确保汽车的安全行驶。

4. 微振疲劳失效

微振疲劳失效也是汽车钢板弹簧断裂失效的形式。微振疲劳失效，通常发生在钢板弹簧片或者板簧与压板之间，两者的接触面在车辆行驶状况中产生微振摩擦，互相挤压，同时会逐渐产生磨碎颗粒或粉末，时间较长之后两者表面会逐渐受到损伤，慢慢产生了疲劳失效，从而降低了钢板弹簧的使用寿命。因此，微振疲劳失效也是板簧失效的比较常见的情况之一，所以我们也要将其作为重点解决对象。

5. 应力腐蚀断裂

应力腐蚀断裂，它主要是应力和腐蚀力叠加作用所产生的一个效果，而致使该问题产生的原因也是叠加的结果：一，当钢板弹簧承受的强应力时间较长；二，由于环境中酸性过大，钢板弹簧受到了腐蚀；三，钢板弹簧材质或热处理缺陷造成的过硬过脆；四，车辆过载行驶，会加速这一断裂过程。

6. 过热或者过烧

钢板弹簧在热处理的过程中，如果加热温度太高，不但奥氏体晶粒剧烈长大，而且在晶界上会出现熔融的液态金属和易熔共晶氧化物。过烧会使晶间联结遭到破坏，大大降低钢板弹簧的强度，一旦汽车在行驶中，钢板弹簧受到外界力量的碰撞，就会很容易发生断裂。此类问题迫切需要我们重视并采取正确方法去处理。

7. 淬火裂纹

目前，汽车钢板弹簧断裂失效的形式有很多种，除了上述形式之外，淬火裂纹同样是常见的一种类型，这种情况一般是因为淬火工艺不佳或者是材料质量问题所导致的。例如材料内部有缺陷，或淬火升温时间过长、温度过高，或淬火冷却过快，都容易造成淬火裂纹。此外，淬火裂纹通常是显微裂纹，很难察觉，所以车辆在日常行驶过程中，钢板弹簧在其它应力作用下，显微裂纹很容易会发展成宏观裂纹。

2. 汽车钢板弹簧的性能要求

钢板弹簧是在周期性的弯曲、扭转等交变应力下工作,经受拉、压、扭、冲挤、疲劳、腐蚀等多种作用,有时还要承受极高的短时冲击载荷,因此要求弹簧钢具有很高的抗拉强度、屈服强度、塑性、韧性、硬度及弹性极限、疲劳强度。目前钢板弹簧生产多采用淬火+中温回火得到均匀细密的回火屈氏体组织来满足钢板弹簧的使用性能要求。疲劳失效和弹性减退是钢板弹簧最主要的两种破坏形式,所以为了延长弹簧的使用寿命,在提高弹簧的设计应力时,应保证弹簧钢具有优良的抗疲劳性能和抗弹性减退能力。钢板弹簧同时要求要有良好的理化性能,主要包括耐热性、耐低温性、抗氧化性和抗腐蚀性能等。同时，钢板弹簧在承受各种载荷时,表面的应力最大,很容易发生各种破坏,所以弹簧钢的表面质量对于生产的钢板弹簧质量影响很大，另外脱碳会使钢板弹簧的抗疲劳性能及抗弹减性能降低,因此,也要保证弹簧钢具备良好的抗脱碳性能。

3. 基于汽车钢板弹簧断裂失效改进方法

1. 强化簧片表面等

为了解决以往汽车钢板弹簧断裂失效问题，我们还需要采取有效的改进方法去解决问题。首先，强化簧片表面，可以显著提升板簧的抗应力，例如减少表面脱碳层深度等。我们对板簧表面进行抛光工艺，也可以有效的去除簧片表面的脱碳层以及其他缺陷，不过此工艺会耗费较长的时间以及增加成本，所以通常情况下，此方法对高级轿车的钢板弹簧应用较多。其次，我们也可以通过增加主片长度，来降低外界应力对钢板弹簧所带来的影响，也可以通过其他途径来提高钢板弹簧抗冲击能力，比如增加钢板弹簧总成的自由弧高等。

2. 改进热处理工艺

针对汽车钢板弹簧断裂失效的问题，我们还可以通过改进热处理工艺，来实现延长钢板弹簧使用寿命的目的。例如在生产钢板弹簧簧片时，可以采用形变热处理或者是高温快速回火等热处理方法，来提高钢板弹簧的综合机械性能。第一，形变热处理，它主要是指在簧片加热之后，进一步在相应的机械设备上对其进行再次热变型压榨处理，这可以极大提升表面质量以及减少脱碳层。第二，高温快速回火法，这也是常见的一种热处理工艺，能够明显改善钢板弹簧的机械性能，它是指通过提高回火温度、缩短回火时间等手段来提高弹簧的疲劳强度。数据显示，回火温度较高时，马氏体能快速分解；回火时间较短时，能让碳化物聚集和长大受到限制，此外，在高温快速回火后快速冷却，也能有效避免材质产生回火脆性。

3. 改进钢板弹簧材料

除了上述改进方法之外，我们还可以通过改进钢板弹簧材质来实现此目的，例如在钢中加入微量元素硼（0.0005%-0.003%），就能够显著提高钢的淬透性，从而可以代替大量的合金元素和降低生产成本。有数据表明，随着硼含量的增加，中碳高强度弹簧钢的强度有所降低，但冲击韧性得到了明显的提高，同时弹减抗力也相应地得到增加，这样也能有效延长钢板弹簧的使用寿命。
结语：

综上所述，汽车在正常行驶时，由于钢板弹簧持续受到外界的应力作用，同时因自身原因所带来的问题，都可能会导致钢板弹簧出现断裂失效等现象，从而难以确保车辆的平顺性和安全性，所以针对钢板弹簧断裂失效的原因进行分析，并采取有效改进措施，可以既延长了汽车的使用寿命，也有效降低了安全事故的发生，做到真正意义上的现代化安全出行。

参考文献：

[1]张艳霞,王长朋,高立强,王茂川. 汽车用钢板弹簧失效分析[J]. 装备环境工程,2021,18(11):129-136.
[2]唐刚. 汽车钢板弹簧断裂失效分析[J]. 汽车零部件,2019,(07):94-97.
[3]丁礼权,丁文胜,董水要,刘祥军. SUP10汽车钢板弹簧早期断裂失效分析[J]. 理化检验(物理分册),2018,54(12):924-927.
[4]王军,冯益坤,张光明,闫宇浩,赵文涛. 某重型汽车后钢板弹簧断裂失效分析[J]. 重型汽车,2017,(05):22-23.