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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)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)。