某SUV車(chē)型螺旋彈簧斷裂失效分析及優(yōu)化

李振 杜阿雷 劉超 張樹(shù)乾 王猛

摘 要：某SUV車(chē)型在耐久試驗(yàn)過(guò)程中，螺旋彈簧上平端第一圈末處發(fā)生斷裂。本文針對(duì)可能導(dǎo)致螺旋彈簧失效的機(jī)理逐一排查分析，找出螺旋彈簧斷裂失效真因，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)或者生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化提升。

關(guān)鍵詞：螺旋彈簧；斷裂；失效機(jī)理；優(yōu)化提升

1 概述

某SUV車(chē)型在可靠性耐久試驗(yàn)中先后出現(xiàn)2次螺旋彈簧斷裂（圖1）的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)對(duì)故障件分析，發(fā)生部位均出現(xiàn)上平端第一圈，現(xiàn)從螺旋彈簧材質(zhì)檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作角度、表面防腐處理工藝等方面進(jìn)行分析，查明真因并進(jìn)行優(yōu)化。

2 原因排查

2.1 螺旋彈簧的材質(zhì)問(wèn)題

2.1.1 失效件的材料化驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 硬度測(cè)試

用洛氏硬度計(jì)對(duì)斷裂彈簧的硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，其外層硬度為HRC49，中心處的洛氏硬度是HRC48，在技術(shù)要求的HRC47- HRC52范圍內(nèi)。

2.1.3 斷口分析

由于彈簧斷裂后又經(jīng)歷了一段氧化腐蝕時(shí)間，斷面銹蝕嚴(yán)重，經(jīng)高錳酸鉀溶液清洗后的形貌如圖2所示，由于銹蝕嚴(yán)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(nèi)側(cè)表面附近，斷口與軸線呈45°螺旋狀，無(wú)明顯的塑形變形，斷面上有粗大的裂紋擴(kuò)展條棱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)還有表面裂紋及內(nèi)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(duì)斷口真實(shí)面貌有一定的損傷，電鏡下已分辨不出斷裂機(jī)制，但仍留有有用的信息，圖4為斷裂源區(qū)形貌，斷面分布有大量的氧化夾雜物，圖5為瞬斷區(qū)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(wú)脫碳，晶粒細(xì)小，有大量的圓斑點(diǎn)物，經(jīng)能譜分析結(jié)果為氧化物類(lèi)夾雜，縱向組織呈帶狀分布，見(jiàn)圖7。

2.1.5 分析與討論

斷裂彈簧材料的化學(xué)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(nèi)側(cè)非接觸面也有麻坑，所以斷裂源區(qū)表面損傷不是在彈簧工作時(shí)形成的。而金相分析表明，材料內(nèi)部存在較多的非金屬夾雜物。

一般來(lái)說(shuō)，等徑的壓縮螺旋彈簧承載時(shí)，任意徑向橫截面主要受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，在螺旋彈簧中，由于扭轉(zhuǎn)力矩中心與彈簧線徑中心不重合，且偏向內(nèi)側(cè)，故彈簧內(nèi)徑部分的應(yīng)力大于外徑部分的應(yīng)力，內(nèi)側(cè)附近有缺陷時(shí)，會(huì)引起比外側(cè)更大的應(yīng)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(yīng)力最大區(qū)。從斷口分析可以看出，彈簧斷裂屬扭轉(zhuǎn)脆性斷裂，是由最大正應(yīng)力超高材料的斷裂強(qiáng)度引起的，說(shuō)明材料的韌性不足，這主要是由于材料過(guò)多的夾雜物及材料存在帶狀組織造成的，原材料的冶金質(zhì)量太差。

2.2 螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或布置

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分析失效件的斷裂區(qū)域可以看出，2次斷裂區(qū)域均發(fā)生在上平端第一圈的末端，而此車(chē)型的彈簧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為上平端圈始終與次端圈保持接觸，據(jù)此可以判斷斷裂區(qū)域可能因彈簧磨平端頭與次端圈接觸設(shè)計(jì)的壓痕而存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力分析，如下圖所示，分析結(jié)果表明，在螺旋彈簧壓縮到極限時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在第一圈末端內(nèi)側(cè)的區(qū)域，與彈簧斷裂區(qū)域基本吻合，最大應(yīng)力值為1414.9Mpa，盡管未超過(guò)材料的1810Mpa的屈服極限，但仍可能是導(dǎo)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(guò)Catia三維軟件的DMU運(yùn)動(dòng)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(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如下圖片所示，圖中可以計(jì)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(xiàn)有車(chē)型中，此車(chē)型螺旋彈簧的最大工作夾角較為突出，根據(jù)螺旋彈簧工作過(guò)程受力分析可知，因在上下極限運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)際存在的工作夾角，導(dǎo)致螺旋彈簧除了承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力之外，還將受到彎曲應(yīng)力，此夾角越大，則承受的彎曲應(yīng)力也越大，對(duì)彈簧的疲勞耐久十分不利，據(jù)此可以推斷，此車(chē)型螺旋彈簧較大的工作角度也是頻繁出現(xiàn)斷裂失效的因素之一。

2.3 表面防腐處理工藝排查

汽車(chē)底盤(pán)零部件長(zhǎng)期處于較惡劣的工作環(huán)境中，因此對(duì)零部件的表面防腐能力要求較高，從失效件的斷裂區(qū)域可以看出，非斷裂區(qū)域均也存在較為嚴(yán)重的表面銹蝕，故針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行排查。目前在行業(yè)內(nèi)，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(shù)要求有鹽霧腐蝕試驗(yàn)、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(duì)這些技術(shù)要求進(jìn)行逐一試驗(yàn)排查，發(fā)現(xiàn)此車(chē)型的螺旋彈簧的涂層附著力不滿足≤1級(jí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步調(diào)查影響到涂層附著力的生產(chǎn)過(guò)程工藝，下表為失效件的供應(yīng)商和某外資彈簧制造供應(yīng)商的過(guò)程工藝對(duì)比：

通過(guò)上表對(duì)比可以清晰的看出，失效件供貨供應(yīng)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(guò)程磷化的前處理工藝的缺失也是導(dǎo)致產(chǎn)品斷裂失效的主要因素之一。

3 結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化

針對(duì)上述分析失效件斷裂的真因分別進(jìn)行優(yōu)化，如下：

①針對(duì)原材料材質(zhì)性能不足的問(wèn)題，選擇高一級(jí)的材料SAE9254（SWI-200）替代55CrSi，提高產(chǎn)品使用安全系數(shù)，該材料是日本進(jìn)口坯料，比55CrSi等級(jí)高，應(yīng)力可提高100Mpa。

②針對(duì)彈簧端頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的問(wèn)題，改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，端部縮頭，上平端與第二圈不再接觸，具體變更如下：

③優(yōu)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(diǎn)優(yōu)化后的螺旋彈簧裝車(chē)后進(jìn)行可靠性強(qiáng)化腐蝕驗(yàn)證，未出現(xiàn)彈簧斷裂的質(zhì)量問(wèn)題，因此證明優(yōu)化方案可行，滿足整車(chē)可靠性的使用要求。

4 結(jié)論

①螺旋彈簧斷裂失效機(jī)理較為復(fù)雜，并不是由單一因素導(dǎo)致的，需要針對(duì)所有可能因素逐一排查。

②SUV車(chē)型級(jí)別的提升，路試條件的苛刻，以前經(jīng)濟(jì)性轎車(chē)的設(shè)計(jì)理念需要改變，材料使用的安全系數(shù)需要提高級(jí)別，普通材料已經(jīng)不能滿足目前設(shè)計(jì)需要。

③在螺旋彈簧中徑尺寸允許的范圍內(nèi)，上下端頭盡可能采用縮徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免線圈之間頻繁接觸存在的接觸應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。

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

作者簡(jiǎn)介：

李振，男，唐山學(xué)院，本科，工作崗位：汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)。