维普资讯 http://www.cqvip.com 北京建筑工程学院学报 第１８卷第２期 ２００２年６月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＢＥＩＪＩＮＧ ＩＮＳＴｒＩＺ．ｒｒＥ ＯＦ ＣＩ１皿Ｅ 『（ ＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＡＲＣⅪＴＥＣＴ Ⅱ Ｅ Ｖ０１．１８ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２００２ 文章编号：１００４—６０１１（２００２）０２—００７０—０３ ＢＬ客车后钢板弹簧疲劳断裂原因的分析与改进措施 田洪森 （机电系．北京ｌＯｏｏ４４） 摘要：本文通过对ＢＬ客车后钢板弹簧断裂断口形状、设计应力、原材料及理化性能等方面的分析，找 出造成钢板弹簧疲劳断裂的原因，提出了改进的措施，使该钢板弹簧的疲劳寿命达到日本五十铃公司标 准的要求。 关键词：钢板弹簧；疲劳断裂；原因分析；改进措施 中图分类号：Ｕ４６９．１ 文献标识码：Ａ 主簧９片，副簧３片，主片片厚为１０ｍｍ，其余片厚 为９ｍｍ，采用的弹簧钢为６０Ｓｉ２Ｍｎ，其中３～９片端 ＢＬ客车是对日本五十铃公司ＢＥ２２客车技术 引进、吸收、消化后的一种轻型客车，该客车后悬挂 弹性元件是一变刚度钢板弹簧，该种钢板弹簧的优 点是在客车空载、满载状态下呈非线性状态，即悬挂 部压延，使钢板弹簧接近等应力梁。 １ 问题的提出 ３ ＢＬ后钢板弹簧疲劳试验情况 ３．１试验标准：按五十铃公司提供的ＢＥ２２客车后 钢板弹簧疲劳寿命试验标准执行 即：１）按实车状态夹紧； ２）变形中心：Ｆ ＝５８．５ｍｍ， Ｆ～＝１３７ｍｍ（２．５Ｇ），Ｆ ＝２０ｍｍ； 在客车空载、满载状态下接近等频性，从而可以提高 客车的平顺性．乘客乘坐舒适性，本文通过分析ＢＬ 客车后钢板弹簧在设计、试制、试验过程中出现非正 常疲劳断裂原因分析，提出了改进措施，使其达到了 日本五十铃公司ＢＥ２２客车后钢板弹簧疲劳寿命的 标准要求 ３）振动频率：６０—１２０ｃｐｍ； ４）从产品中随机抽取三架钢板弹簧； ２ ＢＬ客车后钢板弹簧的结构 ＢＬ客车后钢板弹簧为一多片半椭圆形且由主、 副簧组成的变刚度钢板弹簧，总片数为１２片，其中 表１ ５）疲劳寿命：疲劳循环次数≥２０万次。 ３．２试验设备：钢板弹簧疲劳试验机。 ３．３疲劳寿命试验结果如下－ 收稿日期：２００２—０１—１９ 作者简介：田洪森（１９６４年一），男，大学，高级工程师，机电一体化专业 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 田洪森：ＢＬ客车后钢板弹簧疲劳断裂原因的分析与改进措施 ７１ ４对钢板弹簧疲劳断裂原因分析 根据以上试验结果可以看出，疲劳断裂的簧片 均在第７片且同在钢板弹簧的大卷耳端，且位置距 钢板弹簧中心螺栓距离也差别不大（１３８、１４２、１５０）， Ｉ ６ ７ 断口处 －＿．一一 ｊ 说明该钢板弹簧在此处存在规律性疲劳断裂源，而 非偶然原因造成的，下面根据疲劳断裂试验结果及 设计、生产过程对钢板弹簧疲劳断裂的原因进行分 析。 ４．１造成钢板弹簧疲劳断裂的直接原因 根据钢板弹簧疲劳断口的断面形状进行宏观分 析，发现断口的断面呈河流状，没有一般的疲劳断口 所具有的疲劳源一扩展区一瞬断区三部分，说明在 疲劳试验过程中微裂纹成核期相对较长，但当微裂 纹聚合成较大裂纹后在此处形成应力集中，使此处 的应力超过了材料的屈服极限后，裂纹即快速扩展 并在很短时间内使簧片断裂。根据金属材料的断裂 力学理论可以判定：造成此种钢板弹簧疲劳断裂的 直接原因是簧片在断口处受到了较大应力或材料的 极限应力值达不到要求所致。 ４．２造成钢板弹簧疲劳断裂的具体原因 １）簧片在断口的设计应力分析 钢板弹簧第１、７片应力分布如下：（注：摘自ＣＢＬ 后钢板弹簧设计计算书》） Ｉ：１ 。１＝５９．２ 。２＝４９．７ 。３＝４０ ０４＝３０ ０５＝２０ ０６＝１１ ∞＝１，７ Ｉ：７ 。ｌ＝３７ 。２＝４１ 。３＝４４ 。４＝４７ 。５：１７ 。６＝２ 注：Ｉ一片序 应力 ｋｇ／ｒｒｕｍ２ 各应力点 为平均间隔（１ＯＯｍｍ）。 从以上簧片应力分布可以看出，在最大变形时 断口处的应力值也相对较小，并从理论上讲该处也 不可能产生最大应力，因此该钢板弹簧设计是合理 的，不存在断口处设计应力过大的问题。 ２）簧片在断口处是否有附加应力产生 除设计应力外，如果因某种原因有附加应力产 生，使总应力加大也可能造成钢板弹簧片断裂，通过 对断裂簧片断口处观察，发现此处在压延时造成了 轻微急弯，使该片端部同上一片形成点接触，对这一 点从试验后两片间的摩擦痕迹也证明了此点（如图） 由图中可以看出，当钢板弹簧承受载荷时，在断 口处除承受正常的应力分配外，还承受一个附加弯 曲变形所产生的应力，造成此处产生的应力值过大， 超过材料的屈服极限，而使簧片在此处产生疲劳断 裂，经对第７片簧片生产工序检查，使第７片簧片端 部压延造成急弯属送料台稍高所至。 ３）对疲劳断裂的钢板弹簧原材料成份进行分析 及金相组织进行理化分析 ａ对钢板弹簧采用材料的成分检验结果如下： 表２ 从材料成份分析的结果看，其各项指标均符合要求。 ｂ对钢板弹簧理化分析结果如下： 表３ 硬度（ Ｃ） ４４ ４３ ４３ Ｎ￣Ｎ（ｍｍ） ０．１７ ０．１７ ０．１５ 回火屈氏 金相组织 体＋少量 同１ 同１ 贝氏体 由对钢板弹簧材料的理化结果可知：硬度及脱 碳层均符合钢板弹簧标准ＱＣｎ一２９０３５—９１的要 求，金相组织亦符合ＪＢ３７２８－－８４（（汽车钢板弹簧金 相检验标准》中的要求１～５级中属４级，产品的热 处理不存在问题但金相组织级别偏低。 ５ 结 论 维普资讯 http://www.cqvip.com ７２ 北京建筑工程学院学报 第ｌ８卷 通过以上分析可得出引起钢板弹簧疲劳断裂的 原因主要有以下两条： ７效 果 １）钢板弹簧第７片在压延端部出现轻微急弯， 使簧片在该处有附加应力产生，从而使该处的总应 力超过其材料的极限应力造成钢板弹簧早期断裂。 按照以上改进措施试制后，从其中随机抽取三 ２）钢板弹簧金相组织为回火屈氏体＋少量贝 架钢板弹簧进行疲劳试验所得结果如下：疲劳循环 氏体，虽然符合ＪＢ３７８２—８４中合格品的要求，但要 次数分别达到：２２．６万次、２５．７万次、２３．８万次，金 满足钢板弹簧疲劳寿命大于２０万次仍属偏低。 相组织达到１～２级标准，属中等细致的回火屈氏 体，同时在达到寿命次数时，疲劳断裂的簧片在最末 ６ 改进措施 两片，这也完全符合钢板弹簧首先断小片的要求，断 口有明显的疲劳源，且均在拉伸面，裂纹呈波纹状向 外扩展，有明显的扩展区和瞬断区，完全属于正常的 １）调整料台高度，使符合第７片端部压延技术 疲劳断裂，因此该产品完全符合日本五十铃公司 要求。 ＢＥ２２客车对后钢板弹簧疲劳寿命的要求。 ２）严格控制热处理工艺，特别严格控制回火温 度和回火加热时间使钢板弹簧的金相组织达到 参考文献： ＪＢ３７８２—８４标准中１～２级的要求对片厚＜ｌＯｍｍ， ［１］张洪欣．汽车设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８１ 其回火加热时间控制在２５～３０分钟，回火温度控制 ２］苏翼林．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８０ 在５００～５４０℃，主片（１０ｒａｍ）回火加热时间控制在 ［３］王铎．断裂力学［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９８９ ［４］ＢＬ客车后钢板弹簧设计计算书［Ｒ］．山东汽车弹簧厂研究所， ３０～３５分钟，获得均匀细致的回火屈氏体。 ２Ｏｏｏ ３）增强簧片表面强化手段，将普通喷丸改为应 ［５］ＢＬ客车后钢板弹簧疲劳寿命试验报告［Ｒ］．山东汽车弹簧厂 力喷丸。 研究所，２０００～２ｏ０１ ４）如果有形变热处理工艺设备，增加形变热处 ［６］弹簧热处理工艺学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７ 理工艺，将大大提高钢板弹簧的疲劳寿命，大约可提 ［７］帕尔希洛夫斯基．汽车钢板弹簧 Ｍ］．北京：人民交通出版｝上， 】９６４ 高３～５倍。 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｒ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ｒｅａｒ Ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｏｎ Ｂｕｓ ＢＬ Ｔｉａｎ Ｈｏｎｇｓｅｎ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｇｎ １０００４４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗｈｙ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｏｆ ｂｕｓ ＢＬ ｈａｓ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｏｐｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｆｉｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｒ—ｒｅｌａｔｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｈａｐｅｓ，ｄｅｓｉｇｎｓｔｒｅｓｓ，ｒａｗ ｍａｔｅｒｉ— ａｌｓ，ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ；ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ；ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ；ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ
