重載工程車后雙橋鋼板彈簧設(shè)計(jì)改進(jìn)

1、重載工程車后雙橋鋼板彈簧設(shè)計(jì)改進(jìn)東風(fēng)商用車公司市場銷售總部季小兵2008年12月10日【摘要】本文簡述了重載工程自卸汽車后雙橋鋼板彈簧由于定位方式不恰當(dāng)造成斷裂的原因，提出解決措施。關(guān)鍵詞：鋼板彈簧、斷裂、定位方式、壓筋包、熱處理、噴丸 一、 前言 為了提高自卸汽車的運(yùn)輸效率，應(yīng)盡量增加載貨量， 但這又受到國家法規(guī)的限制，即軸何不得超過法規(guī)所允許的范圍，因此多軸自卸汽車便應(yīng)運(yùn)而生。隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的加大投入，市場對多軸自卸汽車的需求越來越大，每年6×4和8×4驅(qū)動(dòng)型式的多軸自卸車每年的總需求量在11-12萬輛左右，占自卸車總需求的80%以上。由于前多軸自卸汽車的承載能力也逐

2、漸從中型向重型方向發(fā)展，裝載量從最初的十幾二十噸向四、五十甚至更重的方向發(fā)展，加上自卸汽車經(jīng)常行駛在工地道路、礦坑道路，條件十分惡劣，作為車輛承載元件的后鋼板彈簧受力情況變得更為復(fù)雜，除了承受重力、側(cè)向力之外，還要承受車輛扭曲、振動(dòng)等復(fù)雜工況下的受力，近期不斷從市場反饋無論是解放、東風(fēng)、北奔，還是重汽、陜汽等國內(nèi)主要廠家生產(chǎn)的自卸汽車都出現(xiàn)板簧斷裂問題，有從中心孔斷裂的，有從端部斷裂的，還有由于U型螺栓松動(dòng)引起斷裂的。本文選擇選擇市場反映較為典型的某款自卸汽車板簧從端部斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，并提出解決辦法。二、平衡懸架結(jié)構(gòu)及受力原理由于多軸汽車存在懸架系統(tǒng)的靜不定問題，通常采用平衡懸架。東風(fēng)

3、商用車公司目前生產(chǎn)的6×4、8×4驅(qū)動(dòng)的多軸自卸汽車的后雙橋通常采用的也都是平衡懸架系統(tǒng)（見下圖），該結(jié)構(gòu)主要由中后橋、鋼板彈簧、鋼板彈簧支座、平衡軸支架、連通軸、推力桿、U型螺栓等組成，平衡軸支架通過螺栓固定在車架上，左右兩個(gè)平衡軸支架通過連通軸連接在一起，鋼板彈簧中間通過U型螺栓固定在平衡軸承轂上、兩端支承在中后橋的鋼鐵彈簧支座內(nèi)，上面兩根推力桿連接車橋和車架，下面4根推力桿連接車橋和平衡懸架。車橋、板簧、推力桿形成一個(gè)整體可繞平衡軸承轂旋轉(zhuǎn)。車輛的縱向驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力是通過與車橋、平衡懸架、車架相連接的推力桿傳遞的，車輛的重力是通過車廂帶貨物傳遞給車架，車架傳遞給平衡懸

4、架，平衡懸架再傳遞給鋼板彈簧，鋼板彈簧傳遞給車橋及輪胎，當(dāng)載荷變化時(shí)鋼板彈簧在支座上滑動(dòng)。三、失效鋼板彈簧斷裂現(xiàn)象描述東風(fēng)商用車某重載工程自卸汽車在投放市場后不斷從市場上反饋回來該車輛的后鋼鐵彈簧主片斷裂，檢查發(fā)現(xiàn)斷裂點(diǎn)鋼板彈簧基本都是在板簧兩邊與支座接觸的地方即板簧壓筋包處，見下圖：四、失效鋼板彈簧結(jié)構(gòu)介紹該鋼板彈簧原結(jié)構(gòu)如下：后鋼板彈簧總成號(hào)為：2913010-ZB3EOZ，設(shè)計(jì)簧載18.4t,滿載弧高15mm,總成圖： 該產(chǎn)品無卡箍，各片采用壓筋包結(jié)構(gòu)保證板簧裝配后的總成寬度并防止橫向錯(cuò)位，示意圖如下：第一、二、三片 其余各片該產(chǎn)品是在后鋼板彈簧2913010-ZB3EO基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，由

5、于后鋼板彈簧2913010-ZB3EO在使用過程中出現(xiàn)：中心螺栓斷裂、板簧中心孔處斷裂的問題， 2913010-ZB3EOZ在2913010-ZB3EO基礎(chǔ)上作如下改進(jìn)：A：原設(shè)計(jì)中心螺栓直徑16，更改為18，提高了中心螺栓抗剪切強(qiáng)度，該車輛未出現(xiàn)板簧中心螺栓斷裂問題。B：板簧曲率由單曲率設(shè)計(jì)更改雙曲率設(shè)計(jì)，板簧中間U型螺栓夾緊部位設(shè)計(jì)為平直段，且最后一片加長，U型螺栓由原2根改為4根，該車輛也未出現(xiàn)板簧中心孔部位斷裂問題。 五、板簧失效原因分析根據(jù)失效板簧的宏觀斷裂形貌，此板簧為疲勞斷裂，其為多點(diǎn)疲勞起源，從斷口上分析，為高周疲勞起源，高周疲勞起源處的疲勞擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞，且疲勞擴(kuò)展區(qū)面積

6、較大。板簧的瞬時(shí)斷裂區(qū)面積較小，且可見剪切唇。高周疲勞起源板簧的宏觀失效形貌 疲勞區(qū)微觀形貌 瞬時(shí)斷裂區(qū)微觀形貌為韌窩特征下面對該鋼板彈簧斷裂原因從設(shè)計(jì)及制造兩方面分別進(jìn)行分析：（一）、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析1、對該板簧的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行分析，該板簧的設(shè)計(jì)載荷為18.4噸，兩副板簧共36.8噸，可承受車輛的重后橋重量達(dá)到80噸，從市場返回的信息表明，該車輛實(shí)際裝載量在40噸左右，車輛總重在55噸左右，說明板簧的設(shè)計(jì)承載能力完全滿足使用要求；2、對該鋼板彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該板簧作用長度為1350mm，板簧兩端受力點(diǎn)在該簧第1、2、3片壓筋包附近，壓筋包處為板簧應(yīng)力集中的地方，在使用狀況惡劣的情況下，造成板簧過

7、早從壓筋包處斷裂。根據(jù)應(yīng)力分析圖可以看出，該鋼板彈簧總成主片在壓筋包處存在應(yīng)力集中。（二）制造工藝分析1、材料分析對從市場上返回的舊件的材料的成分及性能進(jìn)行化驗(yàn)及試驗(yàn)，鋼板彈簧是汽車零部件中處于最復(fù)雜應(yīng)力條件下、在最惡劣環(huán)境中服役的主要部件之一，因此對材料的要求很高，一是材料的淬透性要搞，J15為50-56HRc，二是對表面質(zhì)量、脫碳、非金屬夾雜物等都有嚴(yán)格要求。該板簧的材料是東風(fēng)汽車有限公司懸架彈簧公司和工藝研究所聯(lián)合研制的60Si2Mn材料，經(jīng)工藝研究所進(jìn)行材料成分分析，結(jié)果如下： 化學(xué)成分樣品名稱C（%）S（%）Si（%）Mn（%）P（%）Cr（%）Mo（%）V（%）B（%）W（%）板簧

8、0.560.0171.710.690.0210.0520.010.020.00030.010根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果，此板簧的化學(xué)成分符合GB1222-84中60Si2Mn的技術(shù)條件要求。2、金相組織分析根據(jù)國標(biāo)GB/T19844-2005中鋼板彈簧的技術(shù)條件要求：板簧的熱處理后的硬度為40.547.0HRC，脫碳總層深不超過板簧片厚的2.5%，板簧各片的拉伸表面需進(jìn)行噴丸處理。對返回?cái)嗔训呐f件板簧斷口進(jìn)行金相組織分析，在板簧斷口附近，橫向解剖取截面樣進(jìn)行金相分析，其心部組織為：屈氏體+鐵素體，板簧表面存在脫碳現(xiàn)象。磨制金相樣品的中，與高周疲勞源區(qū)對應(yīng)位置的脫碳層深度為0.67mm，且未發(fā)現(xiàn)噴丸特征。根

9、據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果，此板簧的熱處理工藝及表面噴丸強(qiáng)化工藝不合格 板簧心部組織形貌 高周疲勞源未見噴丸特征3、板簧硬度分析對返回?cái)嗔训呐f件板簧斷口的硬度進(jìn)行檢查，其硬度值為（HRC）：43.0、44.0、45.0。商用車公司發(fā)布的后平衡懸架用板簧硬度的技術(shù)條件為（HRC）：4247。因此失效板簧的硬度符合要求。通過以上一系列分析說明，該失效板簧的斷裂原因一是由于該板簧的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在缺陷，即鋼板彈簧主片定位用壓筋包位置布置不合理；二是由于該壓筋包在制造過程中存在熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致晶粒粗大，脫碳層深度超標(biāo)，噴丸強(qiáng)化覆蓋率不夠，最終導(dǎo)致該鋼板彈簧總成在承受重力及扭曲、振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而使

10、該鋼板彈簧斷裂。六、 改進(jìn)措施針對上述原因分析，我們重點(diǎn)從該失效板簧總成的涉及結(jié)構(gòu)和制造工藝過程兩方面進(jìn)行改進(jìn)。首先對該板簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：1、 更改壓筋包位置將該簧第1、2、3片壓筋包位置改到兩端（與其余片位置相同），以避開板簧工作時(shí)的受力位置，減少板簧自身應(yīng)力對板簧工作時(shí)的受力的影響；原設(shè)計(jì)壓筋包位置：更改后壓筋包位置：2、增加卡箍將第3片鋼板彈簧和第4片鋼板彈簧之間的壓筋包結(jié)構(gòu)取消，改用卡箍緊固形式，為防止卡箍螺栓與車架限位板干涉，采用復(fù)合卡箍內(nèi)羅紋緊固形式改進(jìn)后的應(yīng)力試驗(yàn)情況如下： 從應(yīng)力分析圖可以看出，原先壓筋包處存在的應(yīng)力集中已經(jīng)消失。其次對制造工藝過程進(jìn)行改進(jìn)：1、筋包成形工序:

11、由于該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按原有筋包成形工藝需進(jìn)行多次重復(fù)加熱，造成脫碳層深、內(nèi)部組織粗大，影響產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。針對這一原因需要采取的對策是：對工藝進(jìn)行修訂，設(shè)計(jì)開發(fā)了復(fù)合模具，切角、切頭、壓筋包一次成型，將加熱次數(shù)由3次減為1次。2、熱處理工序：該鋼板彈簧采用的熱處理工藝主要為淬火加中溫回火，然后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。鋼板彈簧片的感應(yīng)加熱實(shí)際上是透熱，所以應(yīng)該按熟透來考慮中頻的頻率，鋼板彈簧廠的可控硅中頻電源為10000Hz，采用頻率自動(dòng)跟蹤，功率因素需始終控制在工藝范圍內(nèi)，應(yīng)保證感應(yīng)器與被加熱零件相匹配，簧片熱處理時(shí)，由于油爐的加熱溫度以及回火爐溫度控制問題，鋼板彈簧在進(jìn)行淬火或回火時(shí)加熱溫

12、度不均勻，零件加熱溫度無法達(dá)到工藝要求（920±20）， 導(dǎo)致熱處理后產(chǎn)品的金相和硬度不穩(wěn)定。因此對油爐和回火爐進(jìn)行了更新改造。 中溫回火的目的是獲得屈氏體，以提高板簧的韌性，為防止淬火應(yīng)力引起自裂，淬火后要立即回火，會(huì)后溫度大致在500540 ，回火后，組織的均勻性對板簧的使用壽命影響更大，因此，回火時(shí)要保證零件溫度均勻，時(shí)間充足，一般不少于30分鐘，硬度為40 47HRc。 3、噴丸工序：噴丸強(qiáng)化是提高零件機(jī)械性能和使用壽命的有效方法，該工藝在鋼板彈簧上的應(yīng)用效果更為明顯，可以大大提高鋼鐵彈簧的疲勞壽命，鋼板彈簧廠使用的噴丸設(shè)備為機(jī)械離心式噴丸機(jī)，主要由噴丸器、送料機(jī)構(gòu)、封閉式工

13、作室、碎丸分離器、連續(xù)松丸提升機(jī)、除塵器等部分組成，鋼丸采用65Mn或70鋼兩種材料，丸粒尺寸為0.8mm1.4mm，噴丸方式采取應(yīng)力噴丸。鋼板彈簧單片在進(jìn)行噴丸時(shí)，由于表面覆蓋率及噴丸強(qiáng)度未達(dá)到工藝要求，噴丸工序未起到提高板簧疲勞壽命的良好效果。采取的對策是：調(diào)整噴丸機(jī)透瓶確保鋼丸的流量和噴射角度，噴丸覆蓋率達(dá)到工藝要求的98%；對鋼丸規(guī)格進(jìn)行改進(jìn)，將鋼丸由原來的1.2mm換為現(xiàn)用的1.4mm，有效提高了噴丸強(qiáng)度。 七、 結(jié)論通過采取以上措施，首先聯(lián)合鋼板彈簧廠試制了4副新鋼板彈簧總成發(fā)到斷裂最為嚴(yán)重的內(nèi)蒙露天煤礦剝巖市場進(jìn)行使用試驗(yàn)，經(jīng)過三個(gè)多月的使用表明，原先不到一個(gè)月就斷裂的板簧這次沒有發(fā)生任何問題，隨后批量生產(chǎn)了幾百套新鋼板彈簧總成發(fā)往全國各地進(jìn)行更換，在使用半年多時(shí)間內(nèi)，市場上未再反饋該重載工程自卸車鋼板彈簧出現(xiàn)異常斷裂的問題，故障率大大降低，說明改進(jìn)結(jié)構(gòu)徹底解決了該鋼板彈簧主片中部斷裂問題。該改進(jìn)結(jié)構(gòu)后來應(yīng)用到商用車公司T1平臺(tái)T17、T21、T22等重載工程自卸車上，近幾年從售后反饋該平臺(tái)車型后鋼板彈簧主片中部斷裂的故障率極低。附：近期重載工程自卸車鋼板彈簧故障率統(tǒng)計(jì)EQ3243VB2006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