汽车钢板弹簧疲劳寿命分析方法

汽车钢板弹簧疲劳寿命分析方法

摘要：为合理研究汽车钢板弹簧的疲劳寿命，利用载荷谱测量数据，定义和

调整材料疲劳曲线，并采用Miner的累积磨损理论，最后得出汽车钢板弹簧寿命

结论。结果与汽车安全性试验的结论十分相符，同时对影响钢板弹簧使用寿命的

各种因素进行了研究，建立了一种通过测试分析来检测钢板弹簧疲劳寿命的办法，有助于提高汽车板簧的可靠性。

关键词：汽车行业；钢板弹簧；疲劳寿命；具体方法

引言：汽车钢板弹簧是车辆悬挂体系中的最主要部分之一，具有联接轮胎和

车架的功能。除汽车和货物的载重以外，还承担着道路崎岖所带来的冲击。由此

可见，板簧作为汽车减震和储能的重要部件，能够吸收巨大的弹性而不发生永久

变形。为了良好的汽车行驶舒适性和汽车稳定性，就必须提高钢板弹簧的强度和

使用年限。因此，对于汽车钢板弹簧疲劳寿命分析具有积极意义。

1.

影响钢板弹簧寿命的主要因素

（一）原料的选用

对于抗拉强度高的板簧，在使用中不易发生永久变形，如果钢在淬火时为全

马氏体，则其力学性能均匀分布在横截面上，钢材可以发挥其最大的抗拉强度。

如果钢中含有其他非马氏体组织，则芯部的力学性能低，特别是韧性低，会降低

其弹性极限和屈服强度。因此，首先钢铁材料本身应具备一定的淬透性，不同的

金属材料拥有各不相同的淬透性。由于钢板弹簧产品需要严格执行国家相关汽车

技术标准，规定为疲劳寿命大于或等于8万次以上的产品为合格产品。所以，选

用材料的主要依据就是产品的疲劳寿命，是否能够满足技术标准[1]。

（二）原材料的质量

钢板弹簧原材料的质量主要包括两种因素：分别为原材料的外部质量和内部

质量。原材料的外部质量有很多缺陷，比如划痕、凹坑、开裂、锈蚀、侧裂等等。原材料的内部质量缺陷也不少，通常包括非金属夹杂物、气孔、气泡、条带。结

构松散，碳化物偏析高，开裂，碳和合金含量低。原材料的内部品质问题，一般

分为：非金属夹杂物质、气孔、气泡、细条带。结构疏松、碳化物偏析度高，容

易发生断裂现象，碳和合金含量较少。而原料的上述缺陷最终也会减少了板簧的

疲劳寿命，而原料的上述腐蚀又会造成了热处理过程中的热加工及强度性能缺陷，这些问题都很难被解决，尤其是50CrVA等弹簧钢材料。

1.

热处理的质量

钢板弹簧的典型热处理是淬火加回火。通过淬火提高硬度强度，通过回火消

除内应力提高韧性，使板簧获得综合的性能来满足弹簧的使用要求。板簧热处理

时的质量缺陷主要有以下方面影响。

1.

表面脱碳，过热过烧

弹簧片在热处理时加热温度过高或加热时间过长，会造成表面出现大的脱碳

现象，金相组织内部晶粒粗大，脆性增加，甚至使其变成废品。通过试验已经证

明随着脱碳层深度的增加会导致板簧的疲劳寿命急剧下降。

2.硬度不足或不均匀

在同一板簧片上，由于加热冷却不均，淬火操作不正确，使的各处硬度不一

致或高或低相差较大，对使用质量也有较大影响。在使用过程中硬度低处将是容

易发生应力集中点，最容易发生裂纹断裂。

3.淬火侧弯或裂纹

加热炉内温度不均匀，炉内温度在两侧温差很大时,使淬火冷却内部应力不一，超过本身的强度，就会造成弯曲，甚至裂纹。要选择先进的加热炉和淬火设备，选择正确的淬火剂来确保。

对于板簧来说，热处理的品质是汽车钢板弹簧优质制造的重要关键。而热处

理品质的优劣，取决于合理的热处理制度、加工设备的稳定运行状况和操作人员

的专业知识水平都有必要关系，在加工系统稳定工作的情况下，操作人员的专业

知识水平尤为关键。因此必须加强针对汽车钢板弹簧热处理工序的质量控制。

1.

加工工艺的影响

1.喷丸的影响

金属丸（来自直径为0.8-1.2毫米的弹簧钢丝）通过抛丸机喷射到簧片的凹

面（工作表面）上，导致簧片表面塑性变形和残余压应力,可以减少因工作负荷

造成的损伤。同时喷丸处理改变了表面金属分子晶体的排列方式，消除或改善表

面缺陷，可以提高金属的表面强度。喷丸处理可分为一般喷丸处理和应力处理。

喷丸总应力产生的最大残余压力，钢板弹簧为550MPa~650MPa，喷丸可达到

1100MPa~1300MPa。一般来说，喷丸较一般使用寿命可延长1-2倍，应力喷丸较

常规喷丸可延长2-7倍（取决于喷丸预紧力），否则使用寿命会大幅度缩短。

1.

预压缩的影响

预压缩处理的目的是对板簧施加一定的载荷，使单片表面的拉应力超过屈服

强度，当应力释放后，板簧组件和单片具有一定的强度。并且每个单独簧片的残

余压应力使受拉表面的实际拉应力相对减小，提高疲劳寿命。此外，在塑性发生

变形后，改善各簧片接触状态，使板簧组件的片材纵向方向的应力分布较为均匀。还有时也能及时发现缺陷。

二、钢板弹簧载荷谱测试与分析

要想获得板簧的静载荷，必须先用起重装置将车身抬起，最后轮子离开着陆

平面，此时要确保与板簧的条件相同，传感器和数据采集装置归零，开始采集信号。将车身慢慢降低至车辆自然、稳定、静止的状态。此时称重传感器反射的信

号就是车内板簧的静载荷。整个过程采集信号，读取静载荷数据，重复3次后，

平均值为630 MPa，用于后续疲劳分析。应变仪在参考车辆的静态和稳定状态下

归零并收集信号。将测量结果和实际静态负荷数据叠加转换得到纯动载荷信息，

最后，将钢板弹簧的实际动态负荷谱如图一所给出。可以发现，由于钢板弹簧的

受力很大，并且被拉持续时间也较长。要实现有效的疲劳损伤分析，首先需要分

析随机载荷的频谱并得到一系列负荷循环及其时间变化的结果。而基于金属零件

循环加载的雨流法计算原理则与实际负荷近似，因此具有较高的精度。雨流核算

方法是目前最常用和最有效的核算和统计方法。雨流计数的结果可以表示为平均

范围矩阵和累积降雨图。

图1 钢板弹簧实际动态载荷谱

三、疲劳性能曲线的确定

疲劳性能曲线，它显示负载和使用寿命（SN 曲线）之间的关系，是疲劳分

析的先决条件。根据疲劳理论，SN曲线分为三段，N为1e3和1e6为曲线拐点。在N 1e3 和1e6 之间疲劳曲线显示出双对数线性关系。在公式△σ=SRI1，即lg△σ=lgSRI1+b1lgN 式中，△σ为载荷的变形范围；SRI1为最大载荷变化

范围的截距值，即b1材料疲劳特性双对数曲线斜率；N为寿命。取转折点1e6的

数据，当N于1e6相等时，再加上曲线斜率b2=0时，即代表疲劳寿命无限延长,

也就是说NC1所对应的最大应力变程与二倍的疲劳极限相同。当N小于1e3的范围，用材料的抗拉强度值(UTS)进行曲线修正，其中N=1时,截距点UTS(1-RR)正