板弹簧疲劳断裂原因的分析与改进措施

BL客车后钢板弹簧疲劳断裂原因的分析与改进措施
田洪森
(机电系,北京100044)
摘要:本文通过对BL客车后钢板弹簧断裂断口形状、设计应力、原材料及理化性能等方面的分析,找出造成钢板弹簧疲劳断裂的原因,提出了改进的措施,使该钢板弹簧的疲劳寿命达到日本五十铃公司标准的要求。

关键词:钢板弹簧;疲劳断裂;原因分析;改进措施
1问题的提出
BL客车是对日本五十铃公司BE22客车技术引进、吸收、消化后的一种轻型客车,该客车后悬挂弹性元件是一变刚度钢板弹簧,该种钢板弹簧的优点是在客车空载、满载状态下呈非线性状态,即悬挂在客车空载、满载状态下接近等频性,从而可以提高客车的平顺性,乘客乘坐舒适性,本文通过分析BL客车后钢板弹簧在设计、试制、试验过程中出现非正常疲劳断裂原因分析,提出了改进措施,使其达到了日本五十铃公司BE22客车后钢板弹簧疲劳寿命的标准要求。

2 BL客车后钢板弹簧的结构
BL客车后钢板弹簧为一多片半椭圆形且由主、副簧组成的变刚度钢板弹簧,总片数为12片,其中主簧9片,副簧3片,主片片厚为10mm,其余片厚为9mm,采用的弹簧钢为60Si2Mn,其中3～9片端部压延,使钢板弹簧接近等应力梁。

3 BL后钢板弹簧疲劳试验情况
3.1 试验标准:按五十铃公司提供的BE22客车后钢板弹簧疲劳寿命试验标准执行
即: 1)按实车状态夹紧;
2)变形中心:Fa=58.5mm,Fmax=137mm(2.5G),Fmin=20mm;
3)振动频率:60-120cpm;
4)从产品中随机抽取三架钢板弹簧;
5)疲劳寿命:疲劳循环次数3≥20万次。

3.2 试验设备:钢板弹簧疲劳试验机。

3.3 疲劳寿命试验结果如下:
4对钢板弹簧疲劳断裂原因分析
根据以上试验结果可以看出,疲劳断裂的簧片均在第7片且同在钢板弹簧的大卷耳端,且位置距钢板弹簧中心螺栓距离也差别不大(138、142、150),说明该钢板弹簧在此处存在规律性疲劳断裂源,而非偶然原因造成的,下面根据疲劳断裂试验结果及设计、生产过程对钢板弹簧疲劳断裂的原因进行分析。

4.1 造成钢板弹簧疲劳断裂的直接原因
根据钢板弹簧疲劳断口的断面形状进行宏观分析,发现断口的断面呈河流状,没有一般的疲劳断口所具有的疲劳源→扩展区→瞬断区三部分,说明在疲劳试验过程中微裂纹成核期相对较长,但当微裂纹聚合成较大裂纹后在此处形成应力集中,使此处的应力超过了材料的屈服极限后,裂纹即快速扩展并在很短时间内使簧片断裂。

根据金属材料的断裂力学理论可以判定:造成此种钢板弹簧疲劳断裂的直接原因是簧片在断口处受到了较大应力或材料的极限应力值达不到要求所致。

4.2 造成钢板弹簧疲劳断裂的具体原因
1) 簧片在断口的设计应力分析
钢板弹簧第1、7片应力分布如下:(注:摘自《BL后钢板弹簧设计计算书》)
I=1 σ1=59.2 σ2=4917 σ3=40 σ4=30 σ5=20 σ6=11 σ
7=117
......
I=7 σ1=37 σ2=41 σ3=44 σ4=47 σ5=17 σ6=2
......
注:I—片序σ—应力kg/mm2 各应力点为平均间隔(100mm)。

从以上簧片应力分布可以看出,在最大变形时断口处的应力值也相对较小,并从理论上讲该处也不可能产生最大应力,因此该钢板弹簧设计是合理的,不存在断口处设计应力过大的问题。

2) 簧片在断口处是否有附加应力产生除设计应力外,如果因某种原因有附加应力产生,使总应力加大也可能造成钢板弹簧片断裂,通过对断裂簧片断口处观察,发现此处在压延时造成了轻微急弯,使该片端部同上一片形成点接触,对这一点从试验后两片间的摩擦痕迹也证明了此点(如图)
断口处
由图中可以看出,当钢板弹簧承受载荷时,在断口处除承受正常的应力分配外,还承受一个附加弯曲变形所产生的应力,造成此处产生的应力值过大,超过材料的屈服极限,而使簧片在此处产生疲劳断裂,经对第7片簧片生产工序检查,使第7片簧片端部压延造成急弯属送料台稍高所至。

3) 对疲劳断裂的钢板弹簧原材料成份进行分析及金相组织进行理化分析
a对钢板弹簧采用材料的成分检验结果如下:
从材料成份分析的结果看,其各项指标均符合要求。

b对钢板弹簧理化分析结果如下:
由对钢板弹簧材料的理化结果可知:硬度及脱碳层均符合钢板弹簧标准QCn-29035-91的要求,金相组织亦符合JB3728-84《汽车钢板弹簧金相检验标准》中的要求1～5级中属4级,产品的热处理不存在问题但金相组织级别偏低。

5 结论
通过以上分析可得出引起钢板弹簧疲劳断裂的原因主要有以下两条:
1) 钢板弹簧第7片在压延端部出现轻微急弯,使簧片在该处有附加应力产生,从而使该处的总应力超过其材料的极限应力造成钢板弹簧早期断裂。

2) 钢板弹簧金相组织为回火屈氏体+少量贝氏体,虽然符合JB3782—84中合格品的要求,但要满足钢板弹簧疲劳寿命大于20万次仍属偏低。

6 改进措施
1) 调整料台高度,使符合第7片端部压延技术要求。

2) 严格控制热处理工艺,特别严格控制回火温度和回火加热时间使钢板弹簧的金相组织达到
JB3782-84标准中1～2级的要求对片厚<10mm,其回火加热时间控制在25～30分钟,回火温度控制在500～540℃,主片(10mm)回火加热时间控制在30～35分钟,获得均匀细致的回火屈氏体。

3) 增强簧片表面强化手段,将普通喷丸改为应力喷丸。

4) 如果有形变热处理工艺设备,增加形变热处理工艺,将大大提高钢板弹簧的疲劳寿命,大约可提高3～5倍。

7 效果
按照以上改进措施试制后,从其中随机抽取三架钢板弹簧进行疲劳试验所得结果如下:疲劳循环次数分别达到:22.6万次、25.7万次、23.8万次,金相组织达到1～2级标准,属中等细致的回火屈氏体,同时在达到寿命次数时,疲劳断裂的簧片在最末两片,这也完全符合钢板弹簧首先断小片的要求,断口有明显的疲劳源,且均在拉伸面,裂纹呈波纹状向外扩展,有明显的扩展区和瞬断区,完全属于正常的疲劳断裂,因此该产品完全符合日本五十铃公司BE22客车对后钢板弹簧疲劳寿命的要求。