重载工程车后双桥钢板弹簧设计改进

重载工程车后双桥钢板弹簧设计改进
东风商用车公司市场销售总部 季小兵 2008年12月10日
【摘要】本文简述了重载工程自卸汽车后双桥钢板弹簧由于定位方式不恰当造成断裂的原因，提出解决措施。

关键词：钢板弹簧、断裂、定位方式、压筋包、热处理、喷丸
一、 前言
为了提高自卸汽车的运输效率，应尽量增加载货量， 但这又受到国家法规的限制，即轴何不得超过法规所允许的范围，因此多轴自卸汽车便应运而生。

随着国家基础建设的加大投入，市场对多轴自卸汽车的需求越来越大，每年6×4和8×4驱动型式的多轴自卸车每年的总需求量在11-12万辆左右，占自卸车总需求的80%以上。

由于前多轴自卸汽车的承载能力也逐渐从中型向重型方向发展，装载量从最初的十几二十吨向四、五十甚至更重的方向发展，加上自卸汽车经常行驶在工地道路、矿坑道路，条件十分恶劣，作为车辆承载元件的后钢板弹簧受力情况变得更为复杂，除了承受重力、侧向力之外，还要承受车辆扭曲、振动等复杂工况下的受力，近期不断从市场反馈无论是解放、东风、北奔，还是重汽、陕汽等国内主要厂家生产的自卸汽车都出现板簧断裂问题，有从中心孔断裂的，有从端部断裂的，还有由于U型螺栓松动引起断裂的。

本文选择选择市场反映较为典型的某款自卸汽车板簧从端部断裂的现象进行分析研究，并提出解决办法。

二、平衡悬架结构及受力原理
由于多轴汽车存在悬架系统的静不定问题，通常采用平衡悬架。

东风商用车公司目前生产的6×4、8×4驱动的多轴自卸汽车的后双桥通常采用的也都是平衡悬架系统（见下图），该结构主要由中后桥、钢板弹簧、钢板弹簧支座、平衡轴支架、连通轴、推力杆、U型螺栓等组成，平衡轴支架通过螺栓固定在车架上，左右两个平衡轴支架通过连通轴连接在一起，钢板弹簧中间通过U型螺栓固定在平衡轴承毂上、两端支承在中后桥的钢铁弹簧支座内，上面两根推力杆连接车桥和车架，下面4根推力杆连接车桥和平衡悬架。

车桥、板簧、推力杆形成一个整体可绕平衡轴承毂旋转。

车辆的纵向驱动力和制动力是通过与车桥、平衡悬架、车架相连接的推力杆传递的，车辆的重力是通过车厢带货物传递给车架，车架传递给平衡悬架，平衡悬架再传递给钢板弹簧，钢板弹簧传递给车桥及轮胎，当载荷变化时钢板弹簧在支座上滑动。

三、失效钢板弹簧断裂现象描述
东风商用车某重载工程自卸汽车在投放市场后不断从市场上反馈回来该车辆的后钢铁弹簧主片断裂，检查发现断裂点钢板弹簧基本都是在板簧两边与支座接触的地方即板簧压筋包处，见下图：
四、失效钢板弹簧结构介绍
该钢板弹簧原结构如下：
后钢板弹簧总成号为：2913010-ZB3EOZ，
设计簧载18.4t,
满载弧高15mm,
总成图：
该产品无卡箍，各片采用压筋包结构保证板簧装配后的总成宽度并防止横向错位，
示意图如下：
第一、二、三片 其余各片
该产品是在后钢板弹簧2913010-ZB3EO 基础上设计的，由于后钢板弹簧2913010-ZB3EO 在使用过程中出现：中心螺栓断裂、板簧中心孔处断裂的问题， 2913010-ZB3EOZ 在2913010-ZB3EO 基础上作如下改进： A：原设计中心螺栓直径φ16，更改为φ18，提高了中心螺栓抗剪切强度，该车辆未出现板簧中心螺栓断U 板簧的宏观失效形貌
疲劳区微观形貌 瞬时断裂区微观形貌为韧窝特征 下面对该钢板弹簧断裂原因从设计及制造两方面分别进行分析：
（一）、设计结构分析
1、对该板簧的设计载荷进行分析，该板簧的设计载荷为18.4吨，两副板簧共36.8吨，可承受车辆的重后桥重量达到80吨，从市场返回的信息表明，该车辆实际装载量在40吨左右，车辆总重在55吨左右，说明板簧的设计承载能力完全满足使用要求；
2、对该钢板弹簧结构进行分析，
该板簧作用长度为1350mm，板簧两端受力点在该簧第1、2、3片压筋包附近，压筋包处为板簧应力集中的地方，在使用状况恶劣的情况下，造成板簧过早从压筋包处断裂。

根据应力分析图可以看出，该钢板弹簧总成主片在压筋包处存在应力集中。

（二）制造工艺分析
1、材料分析
对从市场上返回的旧件的材料的成分及性能进行化验及试验，钢板弹簧是汽车零部件中处于最复杂应力条件下、在最恶劣环境中服役的主要部件之一，因此对材料的要求很高，一是材料的淬透性要搞，J15为50-56HRc，二是对表面质量、脱碳、非金属夹杂物等都有严格要求。

该板簧的材料是东风汽车有限公司悬架弹簧公司和工艺研究所联合研制的60Si2Mn材料，经工艺研究所进行材料成分分析，结果如下： 化学成分
样品名C（%）S（%）Si（%）Mn（%）P（%）Cr（%）Mo（%）V（%） B（%） W（%）板簧 0.56 0.017 1.71 0.690.0210.052＜0.01＜0.02 0.0003 0.010
根据检验的结果，此板簧的化学成分符合GB1222-84中60Si2Mn的技术条件要求。

2、金相组织分析
根据国标GB/T19844-2005中钢板弹簧的技术条件要求：板簧的热处理后的硬度为40.5~47.0HRC，脱碳总层深不超过板簧片厚的2.5%，板簧各片的拉伸表面需进行喷丸处理。

对返回断裂的旧件板簧断口进行金相组织分析，在板簧断口附近，横向解剖取截面样进行金相分析，其心部组织为：屈氏体+铁素体，板簧表面存在脱碳现象。

磨制金相样品的中，与高周疲劳源区对应位置的脱碳层深度为0.67mm，且未发现喷丸特征。

根据检验的结果，此板簧的热处理工艺及表面喷丸强化工艺不合格
板簧心部组织形貌 高周疲劳源未见喷丸特征
3、板簧硬度分析
对返回断裂的旧件板簧断口的硬度进行检查，其硬度值为（HRC）：43.0、44.0、45.0。

商用车公司发布的后平衡悬架用板簧硬度的技术条件为（HRC）：42～47。

因此失效板簧的硬度符合要求。

通过以上一系列分析说明，该失效板簧的断裂原因一是由于该板簧的设计结构存在缺陷，即钢板弹簧主片定位用压筋包位置布置不合理；二是由于该压筋包在制造过程中存在热处理工艺不当，导致晶粒粗大，脱碳层深度超标，喷丸强化覆盖率不够，最终导致该钢板弹簧总成在承受重力及扭曲、振动时产生了应力集中，产生裂纹，进而使该钢板弹簧断裂。

六、 改进措施
针对上述原因分析，我们重点从该失效板簧总成的涉及结构和制造工艺过程两方面进行改进。

首先对该板簧的结构进行改进：
1、更改压筋包位置
将该簧第1、2、3片压筋包位置改到两端（与其余片位置相同），以避开板簧工作时的受力位置，减少板簧自身应力对板簧工作时的受力的影响；
原设计压筋包位置：
更改后压筋包位置：
2、增加卡箍
将第3片钢板弹簧和第4片钢板弹簧之间的压筋包结构取消，改用卡箍紧固形式，为防止卡箍螺栓与车架限位板干涉，采用复合卡箍内罗纹紧固形式
改进后的应力试验情况如下：
从应力分析图可以看出，原先压筋包处存在的应力集中已经消失。

其次对制造工艺过程进行改进：
1、筋包成形工序:由于该类产品的设计结构特点，按原有筋包成形工艺需进行多次重复加热，造成脱
碳层深、内部组织粗大，影响产品的内在质量。

针对这一原因需要采取的对策是：对工艺进行修订，设计开发了复合模具，切角、切头、压筋包一次成型，将加热次数由3次减为1次。

2、热处理工序：该钢板弹簧采用的热处理工艺主要为淬火加中温回火，然后进行喷丸强化处理。

钢
板弹簧片的感应加热实际上是透热，所以应该按熟透来考虑中频的频率，钢板弹簧厂的可控硅中频电源为10000Hz，采用频率自动跟踪，功率因素需始终控制在工艺范围内，应保证感应器与被加热零件相匹配，簧片热处理时，由于油炉的加热温度以及回火炉温度控制问题，钢板弹簧在进行淬火或回火时加热温度不均匀，零件加热温度无法达到工艺要求（920±20℃）， 导致热处理后产品的金相和硬度不稳定。

因此对油炉和回火炉进行了更新改造。

中温回火的目的是获得屈氏体，以提高板簧的韧性，为防止淬火应力引起自裂，淬火后要立即回火，会后温度大致在500～540 ℃，回火后，组织的均匀性对板簧的使用寿命影响更大，因此，回火时要保证零件温度均匀，时间充足，一般不少于30分钟，硬度为40 ～47HRc。

3、喷丸工序：喷丸强化是提高零件机械性能和使用寿命的有效方法，该工艺在钢板弹簧上的应用效
果更为明显，可以大大提高钢铁弹簧的疲劳寿命，钢板弹簧厂使用的喷丸设备为机械离心式喷丸机，主要由喷丸器、送料机构、封闭式工作室、碎丸分离器、连续松丸提升机、除尘器等部分组成，钢丸
采用65Mn或70钢两种材料，丸粒尺寸为φ0.8mm～φ1.4mm，喷丸方式采取应力喷丸。

钢板弹簧单片在进行喷丸时，由于表面覆盖率及喷丸强度未达到工艺要求，喷丸工序未起到提高板簧疲劳寿命的良好效果。

采取的对策是：调整喷丸机透瓶确保钢丸的流量和喷射角度，喷丸覆盖率达到工艺要求的98%；
对钢丸规格进行改进，将钢丸由原来的φ1.2mm换为现用的φ1.4mm，有效提高了喷丸强度。

七、 结论
通过采取以上措施，首先联合钢板弹簧厂试制了4副新钢板弹簧总成发到断裂最为严重的内蒙露天煤矿剥岩市场进行使用试验，经过三个多月的使用表明，原先不到一个月就断裂的板簧这次没有发生任何问题，随后批量生产了几百套新钢板弹簧总成发往全国各地进行更换，在使用半年多时间内，市场上未再反馈该重载工程自卸车钢板弹簧出现异常断裂的问题，故障率大大降低，说明改进结构彻底解决了该钢板弹簧主片中部断裂问题。

该改进结构后来应用到商用车公司T1平台T17、T21、T22等重载工程自卸车上，近几年从售后反馈该平台车型后钢板弹簧主片中部断裂的故障率极低。

附：近期重载工程自卸车钢板弹簧故障率统计
EQ3243VB 2006年6月 2006年7-12月 2007年1-12月 2008年1-12月
故障率 23% 69% 0.38% 0.28%
T1平台 2006年6月 2006年7-12月 2007年1-12月 2008年1-12月
故障率 —— —— 0.44% 0.54%
参考文献：
1、顾林生 敖炳秋 汽车制造工艺实践 东风汽车公司 1998
2、余志生 汽车理论 北京：机械工业出版社 1989
3、张洪欣 汽车设计 北京：机械工业出版社 1989
4、卢柳林 郑立新 钢板弹簧失效分析报告
东风汽车有限公司工艺研究所 2006
5、汤银霞 EQ3243VB钢板弹簧整改措施
东风汽车悬架弹簧有限公司 2006。