后钢板弹簧前支架断裂失效分析

常连霞 张建振 胡悦 刘柯军130011) (中国第一汽车集团有限公司研发总院 长春

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摘要:描述了钢板弹簧前支架各个部位的失效特征及失效过程。首先是弹簧销尼龙衬套发生了严重地磨损,引发了第二片卷耳与支架悬臂内凹面的干涉和冲击载荷;然后导致了接触部位的异常磨损,造成了悬臂内弯角处的“外张性”弯曲疲劳开裂,这种异常的干涉还造成了第二片弹簧卷耳的弯曲疲劳开裂;支架悬臂支座根部的疲劳开裂与支架变形、结构失稳后的结构应力重新分布有关;其他部位特定方向的局部磨损及变形主要是与支架悬臂部分变形而产生的结构失稳、承载力不足造成的。关键词:钢板弹簧 失效分析 疲劳断裂U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180172中图分类号: 文献标识码:

1 前言

钢板弹簧是汽车悬架中应用广泛的一种弹性元件,主要用于载重汽车及大客车的前后悬架上,它的性能及状态对汽车行驶的安全性及操纵的稳定性均有影响[1]。由于使用环境的恶略及零部件自身的缺陷,钢板弹簧失效的形式也是多样的、复杂的。通过对样件的失效分析,明确其失效的原因或者了解其潜在的问题,会给设计者及生产部门提高其可靠性提供有效的解决途径。

2 失效概述

该样件是某客车在道路试验行驶至鱼鳞坑路3段里程为约 万公里时,觉察车辆左后侧突然下 沉,检查后发现车辆左后侧钢板弹簧前支架断裂。

3 失效特征

1图 为该钢板弹簧支架的结构和断裂的情况,断裂部位发生在图中标注的支架与卷耳关联的部位;该支架的结构特征是垂直支座连接一个倒扣的簸箕棚形悬臂梁结构,弹簧销横穿其中,而断裂断口2 3 4斜穿过“倒扣”梁,其结构细节如图 、图 、图 所示。

1978—),作者简介:常连霞( 高级工程师,博士,研究方向为汽车零部件失效分析及金属材料检验分析。

支架的断裂为疲劳断裂,斜断口的两侧端头4均有疲劳开裂源,见图 所示。特征如下:支架内圆角处为结构“外张”型的弯曲疲劳开5裂,见图 所示,其相同结构的中心线对称部位内6圆角部位同样有两条疲劳裂纹,见图 所示。

180°在 对称的悬臂梁根部也为一个独立的疲劳7源及断口,见图 所示,该疲劳断口表现更典型的高应力低周疲劳的性质,被认为是后发生的疲劳裂纹。 8 9图 、图 分别示出了疲劳断口的扩展方向。

10该悬架板簧第二片头部弯曲疲劳断裂,见图2所示。该片板簧已经失稳变形,见图 所示。

该支架的悬臂部分前端内上壁、支座的弹簧销孔、弹簧销尼龙套、弹簧销和钢板弹簧卷耳局部均11 12 13有非常严重的摩擦磨损,分别见图 、图 、图 、14 15 16图 、图 和图。这些磨损的区域分布情况以及断裂有着各自的对应或是顺序关系。

4.2 硬度检验

GB/T 231.1- 2009依据 《金属材料布氏硬度试1验 第 部分:试验方法》标准进行检验,结果如下: 163 HBW 170 HBW 163 HBW、 、 。

4.3 元素含量

2元素含量检验结果见表 。

5 失效过程分析

首先是弹簧销尼龙衬套发生了严重地磨损, 由此引发了钢板弹簧(第二片卷耳)与支架悬臂内凹面的干涉和冲击载荷。

这种干涉接触和冲击载荷主要作用在支架悬臂内凹面的前、上部,这导致了接触部位的异常磨损,同时引起了悬臂槽结构向前和上侧的失稳塑性变形,而且这种变形的过程中造成了悬臂下开口(凵字形)外端前、后内弯角处的“外张性”弯曲疲劳开裂。这种异常的干涉还造成了第二片弹簧卷耳的弯曲疲劳开裂,建议应该考虑第二片板簧卷耳的形位公差是否匹配。

支架悬臂支座根部的疲劳开裂应该与支架变形、结构失稳后的结构应力重新分布有关。

关于弹簧销内端头与支架支座处销孔的具有特定方向的局部磨损及变形,主要是与支架悬臂部分变形之后丧失了对弹簧销的有效支撑,使得弹簧销从简支梁支撑结构,变成了支座内销孔固定的悬臂梁支撑结构而失稳、承载能力不足造成的,而且大量的磨损和变形有可能是在支架断裂后发生的。

6 结论

a. 163 HBW样件金相组织无异常,硬度为170 HBW, GB/T 1348- 2009依据 《球墨铸铁件》,材QT450-10料牌号相当于 。b.各种零件和不同部位疲劳断裂及摩擦磨损,涉3及到了支架的 个部位疲劳开裂、第二片钢板弹簧卷耳疲劳断裂、弹簧销尼龙套的磨损、钢板弹簧卷耳与支架内壁的磨损、弹簧销与支架支座侧销孔的磨损等。c.弹簧销尼龙衬套的严重磨损引发了钢板弹簧与支架悬臂的干涉和冲击载荷,及一系列的异常磨损和失稳,从而引发结构失稳和承载力不足而发生断裂。

参考文献:

[1] . [M]. : , 2011.陈家瑞 汽车结构 北京机械工业出版社

图1 钢板弹簧及支架断裂形貌

图2 支架吊耳结构及断裂形貌

图9 悬臂根部的疲劳断口扩展形貌

图5 外端内圆角疲劳裂纹源及断口

图4 断口及两端疲劳开裂源位置

图10 板簧第二片断口形貌

图 外端内圆角断口扩展方向

图6 对称的内圆角疲劳裂纹源

图14 销轴端部磨损及变形

图13 销轴的椭圆形磨损

图3 支架结构及断裂形貌

图12 衬套磨损形貌

图11 支架变形及板簧断裂

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