工程车钢板弹簧中心孔断裂故障和悬架结构的关系分析

刘 峰，常德杲

（1.中国重汽集团济南卡车股份有限公司，山东 济南 250001；2.济南方大重弹汽车悬架有限公司，山东 济南 250400）

汽车钢板弹簧设计制造是汽车底盘设计的重要组成部分，关系到汽车的操纵行驶稳定性、行驶舒适性、行驶平顺性、行驶安全性和燃油经济性，它在汽车上显然非常重要，不可忽视。汽车钢板弹簧的性能要有缓冲、减震、储能、连接、乘载、传力的作用。其工作环境、受力情况十分复杂和苛刻，因此它是个易损部件，必须能够承受拉应力、压应力、弯曲应力、扭曲应力、冲击应力和疲劳应力，并且要求使用可靠，寿命要尽量长。汽车悬架是整车的一个系统，并非钢板弹簧单独构成，其他还有U 型螺栓、板簧压板、平衡轴壳、板簧端部支座等相关零部件组成，各组件之间的相互匹配对钢板弹簧的寿命有着至关重要的影响。

1 工程车辆发展趋势

工程车是国家基建的主干力量，正是由于它们的出现，才使得国家基础建设项目进度倍增，大大减少了人力资源的付出，提高了工程项目速度。工程类专用车市场主要以搅拌车和土建工程车为主，工程车的销量增速与国内固定资产投资增速呈正相关关系，自2020 年受大量基建项目集中开工的影响，工程车销量同比大幅增长，国内如三一汽车、中联重科的工程车销量旺盛。作为国家宏观经济调控的重要手段之一，基建在我国多次的“黑天鹅”事件发生时，均扮演了支撑经济发展，激发市场活力的重要角色。根据中汽数据统计，2020 年有超过2.3 万亿元的重大交通项目工程获得批复，2020 年基建项目的推进，将对工程类专用车的市场发展起到强有力的支撑作用，因此，2021～2026 年，中国的工程类专用车的需求量将呈现上升的态势。同时也清楚地看到，为应对气候变化，推动以二氧化碳为主的温室气体排出，中国提出，力争在2030 年实现“碳达峰”，努力争取到2060 年实现“碳中和”，作为碳排放的“大户”，汽车行业首当其冲，轻量化是汽车行业节能减排的重要途径，也是“碳中和”大背景下的汽车行业的重要发展方向，有实验室数据表明，汽车重量每减重30%，燃油效率可提高20%～24%，二氧化碳排放降低20%，从汽车行业当前的特点看，单纯地依靠设计的优化已经不能满足环保上降耗和减排的要求，因此，汽车自身的轻量化已成为未来发展的必经之路，也是各大汽车公司竞相研究的关键技术。

从产品供应链系统分析，钢板弹簧的轻量化技术是整车降重的重要组成部分，因此工程车钢板弹簧的配置由等截面多片簧向变截面少片簧发展已经成为必然的趋势，这就使得钢板弹簧的设计从传统多片钢板弹簧逐渐向少片变截面钢板弹簧的方向发展。相较于传统的多片簧，少片簧具有以下优点：

（1）容易做成等应力梁，弹簧的应力分布更加合理，使材料得到充分利用，在保证同样性能的前提下，质量通常可以减少30%～40%。

（2）少片簧由于片数少，可以通过更完善的弹簧加工方法，例如，强化处理、片间处理和喷涂涂料等，使弹簧的寿命明显提高。

（3）降低了总成高度，使整车质心降低，从而提高汽车行驶稳定性安全性、平顺性和操纵稳定性。

2 钢板弹簧失效模式简要分析

钢板弹簧的失效模式主要有：过量的塑形变形、断裂失效、应力腐蚀失效、磨损失效、偏软失效等。其中，断裂失效又分为：脆性断裂和疲劳断裂，下面就脆性断裂和疲劳断裂做简要分析。

2.1 脆性断口

脆性断裂断口上有明显的“人”字纹，“人”字的头部指向裂纹源，如图1 所示。

图1 脆性断口

2.1.1 其失效特征为

（1）构件破坏之前没有或只有局部的轻微的塑性变形。

（2）断裂源总是发生在缺陷处或几何形状突变的凹槽、缺口等处，也有裂纹源由疲劳损伤处引起的。

（3）断口形貌平直，断面与拉应力方向垂直，断口上有放射条纹，放射条纹的收敛点为断裂源。

（4）一旦发生开裂，扩展速度极快。

2.1.2 其发生主要原因

（1）构件存在应力集中，如构件存在表面缺口、裂纹、几何形状突变等缺陷。

（2）构件承受的应力（内外部）超过其抗拉强度。

（3）杂质元素在晶界偏聚导致晶界强度不足。

（4）环境介质引起的脆断（如应力腐蚀）等。

（5）高、低温引起的脆断。

2.2 疲劳断口

疲劳断裂断口形貌为典型的“贝纹线”形貌，断口有“疲劳源区、裂纹扩展区和快速扩展区、瞬时断裂区”部分，如图2 所示。

图2 疲劳断口

2.2.1 疲劳断裂常见位置

疲劳断裂常见位置有：零件的尖角、凹槽或材料的夹杂、空洞、微裂纹等应力集中处。

2.2.2 其常见原因

（1）车辆超载、服役工况恶劣。

（2）悬架系统结构设计不合理，U 型螺栓松动。

（3）构件上有尖角、键槽等应力集中区。

（4）构件表面存在凹坑、折叠、加工刀痕等缺陷。

（5）热处理缺陷：如表面脱碳、过热。

（6）材料强度不足。

2.3 失效分析方法

2.3.1 断口宏观分析，其步骤为

（1）确定裂纹源和断裂形式。

（2）查看并分析该失效件及匹配断口、相关零部件的裂纹源处及其附近的宏观情况。

（3）测量并记录断口部位几何尺寸。

2.3.2 断口微观分析，其步骤为

（1）取样：取样需具有代表性，包括裂纹源；相同的失效形式、部位等。

（2）依据产品的内在质量项目进行分析（硬度；必要时化学成分；金相组织；脱碳层深度；材料的低倍组织；断裂形式：穿晶或沿晶）。

2.3.3 服役情况、过程参数、设计输出分析

（1）掌握失效件的受力情况和使用环境数据。

（2）对失效件过程参数进行追溯。

（3）对失效件的受力情况进行分析；设计输出进行校核。

（4）调查失效件是系统性或独立性、过去有否类似的失效。

3 工程车悬架系统结构和钢板弹簧中心孔断裂的关系分析

汽车悬架是汽车上的主要部件。车身与车轮要靠悬架来弹性地连接、传递作用在车轮和车身之间的所有力和力矩，缓和由不平路面传递给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的正常行驶。

悬架对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃料经济性、制动性影响都很大。良好的汽车行驶平顺性不仅能保证乘员的舒适性与货物的完整无损，而且还可以提高运输生产率，降低燃料消耗，延长零件使用寿命和提高零件的工作可靠性，行驶稳定性直接影响汽车的安全行驶。因此在选择悬架结构型式、参数、导向机构时，应满足这些性能的要求。

汽车的悬架系统主要由弹性原件、减震器和导向机构组成，文章所述工程车悬架系统有关零部件有：钢板弹簧、板簧压板、U 型螺栓、U 型螺栓锁紧螺母、平衡轴壳等。

变截面少片簧一般配置在牵引汽车上，其服役工况较好，行驶过程中，车辆运行平稳，钢板弹簧振幅趋于稳定状态，也不会频繁产生超出极限应力的瞬间冲击，其使用寿命较长，售后问题反馈较少，鉴于牵引车车辆较好的服役工况，其悬架系统刚度在设计余量上预留较小，可进一步保证整车的轻量化设计，目前国内的各大汽车公司在此悬架设计和配置上均能较好地满足整车质量要求，市场反馈良好。

但随着变截面少片簧逐步应用于工程车辆，特别是载货车、搅拌车等车型上，车辆主要服役于各基建工地、甚至是矿区，道路条件恶劣，并存在超载问题，悬架系统仍然沿用牵引车车型的悬架结构，就造成悬架系统刚度不足，不能满足实际的工况需求，市场问题反馈较为尖锐。

文章就介绍一种因悬架系统结构配置不合理造成钢板弹簧售后批量质量事故的案例，说明悬架系统配置的重要性。

3.1 问题背景

某公司新开发的水泥搅拌车车型，市场发生钢板弹簧中心孔批量断裂质量事故，故障里程1.5×104～2×104km，属于产品早期断裂失效。

该悬架系统结构采用：斜拉式双U 型螺栓夹紧结构、搭配变截面少片钢板弹簧，通过板簧上压板和平衡轴壳夹紧，将钢板弹簧连接与车架上。具体连接结构见图3 所示。

图3 悬架系统夹紧结构

3.2 钢板弹簧故障件分析

3.2.1 断口宏观分析

从图4 所示的疲劳断口可见，疲劳裂纹源位于中心孔的两侧，裂纹扩展区很小，不超过整体断面的5%，是非常典型的中心孔疲劳断裂断口，且钢板弹簧中心孔附近区域约60 mm 内存在明显的磨损，说明车辆在运行过程中，板簧片之间发生了相对运动，和理论“U型螺栓夹紧后，板簧中部近似为一刚性体，中心孔部位不受力”存在明显的差异性，这就表明悬架系统刚度未得到保证。

图4 故障件形貌

3.2.2 故障件微观分析

（1）对故障件进行微观分析，金相组织3 级（呈带状分布的回火屈氏体），满足金相组织1～5 级的技术要求，见图5 所示。

图5 500 倍显微镜下的金相组织

（2）产品硬度HB420。

（3）脱碳层深度0.08 mm。

（4）材质化学元素含量合格。

结论：故障件微观组织均符合产品技术要求。

3.2.3 车辆服役情况分析

经实地对车辆服役工况进行调查取证，道路凹低不平、弯道较多，车辆制动频繁。车辆服役路况见图6 所示。

图6 车辆服役路况

3.2.4 悬架系统结构分析

从图3 可以看出，此搅拌车车型的悬架系统结构尺寸设计明显不合理：板簧上压板尺寸过短，有效长度仅有90 mm 左右，U 型螺栓加紧距设计过小，扭紧力矩不足，车辆在运行过程中，颠簸导致U 型螺栓松动，悬架结构失稳，从而钢板弹簧中心孔部位承受弯矩作用。

经在用户现场采用扭力扳手测量故障车辆的U 型螺栓扭紧力矩，发现U 型螺栓锁紧螺母已完全松动，U 型螺栓已经失去扭紧作用。现场复紧U 型螺栓，第二天再行测试U 型螺栓扭紧力矩，左侧钢板弹簧的U型螺栓已经松动，说明此悬架结构夹紧效果不可靠。

由于U 型螺栓已失去夹紧作用，车辆载重后，力矩传递到钢板弹簧的中心孔位置，此处抗弯截面系数W 变小，导致中心孔所受应力变大，且中心孔的存在会引发应力集中，特别是中心孔的边缘往往是尖角结构，也会引发尖角敏感性。钢板弹簧中心孔部位长期受到大的交变应力作用，发生早期断裂失效，中心孔应力见下述计算。

3.2.5 钢板弹簧中心孔受力计算

（1）U 型螺栓有效夹紧状态下，悬架系统的钢板弹簧中心孔部位近似于刚性体，中心孔部位受力接近为零。

（2）U 型螺栓松动后，计算中心孔部位应力：

σ 为应力；M 为弯矩：M=F＊L；F 为板簧片所受载荷；L 为力臂；W 为截面惯性系数：W=BH2；B 为板簧片宽度，在中心孔处应去除中心孔直径来计算；H 为板簧片厚度。

计算结果：将相关载荷和板簧数据带入公式1，计算得出板簧中心孔部位应力为：929 MPa，远远超过钢板弹簧设计控制标准。

4 结论

从上述对钢板弹簧中心孔断裂的分析，可以确定悬架夹紧系统的结构设计不合理是导致钢板弹簧中心孔断裂的主要原因，此悬架结构刚度不足，U 型螺栓易松动，进而导致钢板弹簧中心孔断裂。

整车的轻量化设计已成为不可阻挡的发展趋势，因此工程车大批量配置变截面少片簧也势在必行，但是，怎样在这样的趋势下，即能保证整车的轻量化，又能兼顾整车的安全性、可靠性，抢占设计先机，赢得良好的市场份额和客户口碑，也是各大汽车公司需要思考和解决的问题。