汽车后桥板簧的断裂分析

汽车后桥板簧的断裂分析

摘要：整车可靠性耐久道路试验中，后桥板簧是重要试验验证对象，是影响整车性能的重要因素之一。本文通过对耐久性道路试验中的后板簧断裂现象，应用设计复核、宏观分析、微观分析、金相分析、硬度检测等技术手段开展分析判断，阐述了后桥板簧表面凹坑缺陷、后悬架无减振器是造成板簧早期断裂的关键及实施优化的设计方案，为后续车型开发提供必要的经验积累。

关键词：汽车后桥板簧断裂

前言

板簧是汽车悬架系统的弹性元件，具有可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低等优点。车板簧一般是由若干片不等长的簧片组成，簧片按照一定的组合方式使得板簧呈现线性或非线性弹性特征，在悬架系统中起到缓冲作用。汽车在非平整路面上行驶时，在交互冲击载荷作用下，各片板簧有相对的滑动而产生摩擦，产生一定的阻力，促使车身的振动衰减。板簧结构在商用车及轻小型车辆上应用广泛，实际应用场景中，在交变应力下板簧可能发生疲劳和断裂，故板簧应具有较高的疲劳强度和耐蚀等性能。

一、后板簧断裂案例

某汽车后悬架根据该车型的总质量、底盘布置等特点，采用板簧结构，用于连接车身与后桥，且不装后减振器。主要由三片不等长的钢板弹簧组成，并用夹箍将三片板簧固定，防止各簧片横向错位，在弹簧回弹将力传递给其他片，减少主板簧片的应力。后悬架采用板簧结构，开发阶段需在试验场进行道路耐久试验验证，试验场给汽车提供各种类型的路面试验条件，满足零件的耐久试验要求。在可靠性耐久道路试验中，3台试验车均出现了后钢板弹簧断裂的情况，在第一片到第三片板簧均有发生断裂情况。

二、后板簧断裂原因探讨

为确定后桥板簧断裂的根本原因，应用设计复核、金相分析、硬度检查等技术手段开展分析。

1、设计复核

应用CAE软件对板簧设计进行复核，对板簧应力分析结果与已量产车型进行横向对比，

根据分析结果并结合设计经验，板簧设计满足设计要求。按汽车行业标准QC/T 29035-1991

对板簧进行强度台架测试，测试结果均不低于试验标准（板簧的疲劳寿命不小于8万次）。

设计前期该车型未加后减振器，但保留后减振器设计位置。对有、无减振器状态的左后

减振器安装点位移及位移频次进行测试，测试结果见图1、图2，从图中可以看出有后减振器，满载振动幅度为-30~28.77Hz；无后减振器，满载振动幅度为-43.6~28Hz，在各幅度振

动中，频次明显比有减振器增多。可见后悬架无减振器对振动有较大影响。从设计复核得出，车辆无减振

器会对最终

的输出结果

形成较大影

响。

2、理化检验

2.1宏观分析

根据板簧断口宏观形貌，断口表面有明显的“贝壳纹状”

疲劳纹，呈典型疲劳断口形貌，“贝壳纹状”汇聚处为疲劳源

区，疲劳源区有多条疲劳台阶，为典型多源性疲劳断裂形貌，

疲劳源区附近断口表面已经被锈迹覆盖，箭头方向为断裂方向。

2.2微观分析

图3是板簧断口形貌，也是SEM分析示意图，分为A1至A4等区域进行扫描电镜分析。

图4中A1形貌图，A1区域断口表面已基本被锈迹覆盖，小部分可见形貌为疲劳辉纹特征，

疲劳源区内表皮发现有凹坑缺陷，黄色箭头为裂纹扩展方向。

A2区域断口表面已基本被锈迹覆盖，该区外表面区域也发现有凹坑缺陷。A3区域断口

形貌为疲劳辉纹特征，黄色箭头是裂纹扩展方向。 A4区域断口形貌为拉伸韧窝特征，黄色

箭头是裂纹扩展方向。以上可知板簧断发生了疲劳断裂，与宏观观察一致。如图4,5.

2.3金相检查

板簧距断口后约20㎜处平行于断口切开，切面做金相分析。板簧表面发生脱碳，脱碳层深约0.09㎜，根据《GB/T1222-2016》要求≤0.2㎜，板簧疲劳源侧表面发现较多的凹坑缺陷。芯部金相组织为回火马氏体+少量残余奥氏体，金相组织合格。

2.4 硬度检查

对失效板簧硬度进行检测，结果为45.6HRC、46.1HRC和46HRC，符合技术要求

（41HRC~47HRC）。

以上理化检验中得知，板簧金相、硬度合格。板簧发生了疲劳断裂，分析认为疲劳源的萌生与板簧表面的凹坑缺陷直接关联。

综上，造成板簧路试过程出现早期和中期断裂原因有：1、后悬架无减振器，理论分析和实际路试测试表明板簧振动频次和幅度明显增大，导致板簧受力频次和幅度增大，对板簧的耐久可靠性存在很大不良影响，是造成板簧前期断裂关键原因。2、板簧表面存在凹坑，萌生早期疲劳源。

三、设计优化方案及验证结论

基于对板簧发生断裂的根本原因的分析及探讨，在充分考虑改进难度及成本分析的前提下，提出优化设计方案：

1、后悬架增加后减振器，提供辅助减振，降低板簧振动频次和幅度，降低板簧受力和受力频次。

2、加大板簧刚度，降低上极限轮跳。同时在簧片间增加尼龙隔振垫，以降低应力，提高板簧安全系数。

3、优化板簧生产工艺，减少尖角凹陷。

上述方案实施完成后，重新搭载车辆道路耐久性路试，未再出现后板簧断裂情况，该设计优化方案效果明显，目标达成。

四、结束语

后桥板簧结构具有可靠性好、结构简单、制造工艺要求低且开发周期短、成本有优势而广泛在商用车和轻小型汽车上。板簧在工作中承受交变弯曲应力，故对板簧的疲劳强度和耐蚀等性能有较高的要求。本文通过车辆道路耐久性路试出现的后桥板簧断裂问题进行原因分析和探讨，制定有针对性优化方案。板簧表面凹陷是引起板簧早期疲劳断裂的根源，为达到

板簧良好的表面质量，在生产工艺中应该严格控制表面缺陷。同时提出板簧的开发，不仅应在整车可靠性耐久道路试验中进行充分验证，更应该在前期开发阶段，通过技术分析软件及台架试验，提前对板簧可能出现的各类故障模式进行模拟分析，在零件设计及结构方面进行必要的优化，减少后期优化成本，达到最优化设计。

[参考文献]

1、雯锋.汽车底盘设计[M].2 版.北京:清华大学出版社,2018.

2、张小荣等.汽车板簧的断裂分析.理化检验—物理分册.2008