钢板弹簧失效分析

一
、 概述
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钢板弹簧失效分析
任竹梅  向  东
钢板弹簧是汽车底盘悬挂部份的主要零部件，在车轮和车架之问起联接作用，它能
承受车厢及载荷的重量 ( 静载苻 )外，还要承受田地面不平所 引超的冲击载荷和振动。 
它能产生大量的弹性变形，通过变形吸收冲击能量来缓和冲击力。它 对材料机械性能的
要求不仅需要高的抗拉强度，屈服和疲劳极限，面且还要有好的刚性，以此提高疲劳寿
命。 
我 国汽车钢板弹簧无论从产品结l 社 ] 还是装备水平同国外先进国家相比都有较大的差
距，近年来从国外引进 了一些先进的钢板弹簧制造技术和设备，使原来落后的结构形式
和工艺水平有不同程度的改善与提高，少数厂家已能生产单片或少片变截面钢板弹簧， 
除供 出口外，并已在国内装车试用。这种板簧的变截面尺寸沿长度方向变化 单片板簧
其特点是 ：质量小，无片间摩擦，可改善汽车的行驶乎顺性，不需要扳簧夹和中心孔螺
栓的装置，使结构简化 ，成本低， 经济效益好。 据了解这种结构形式在国外装车率 已占较
大比重。 
目前我国正处在起步阶段，尽管受着种种原因和条件的限制，但是，这是发展 的必
然趋势。 
理在国内仍然以生产多片等截面的钢板弹簧为主，其结构形式如图 1 所示。 
． 
相板弹簧
I - 糟耳·2 - 弹簧采，3 - 锕{ 6 f 弹廿·I - 中心螺拴，   蜉 ：B   鞋笛
圈 1 
图中，   ， 心螺拴 4，『 f j ￡ 上 连接务弹簧片 。 ，燥匿装弛时备片纳铂对位置。这种连接方
一
1 2 — 
式的缺点是在弹簧片中心处易造成应力集中，削弱弹簧片的强度。因此有些汽车就不用
中心螺栓，面是另一种连接方式。钢板弹簧 3的第一片 ( 最长的一片)称主片，其两端
弯成卷耳 1内装青铜或塑料、橡胶、扮沫冶金制成的衬套，以便用销子同固定在车架上
的支架或吊耳作铰链连接。 当钢板弹簧安装在汽车息架中，所承受 的 垂直 载 荷为正向
时，各个力的方向和作用点如图 中箭头所示，各弹簧片都受力变形，有 向 上 拱 弯的趋
势，这时车桥和车架便互相靠近。当车桥与车架互相远离时钢板弹簧所受的正向垂直载
荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反 向。主片卷耳受力严重，是薄弱部位，为改善主片
卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主卷耳的外面 ( 称包耳)。为使弹
簧变形时备片有相对滑动 在耳之闻留有较大的空隙。弹簧夹 2主要作用是当板簧反向
变形肘，使各片不致互相分开，以免主片单独承载，还可防止各片横向错动。钢板弹簧
在载诗作用下变形时各片之间有相对滑动而产生摩擦，可以衰减车架振动，不过各片间
的干摩擦，电会使车轮所受的冲击在很大程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能
力，并霞各片加速摩损， 这是不利的。为了减少掸簧片的摩损， 弹簧片涂上较稠的润滑剂
( 石墨润滑指)，使片闻正常接触。 
通常钢板弹簧加工= [ 艺流程如以下图2 所示。 淬火温度8 4 0 ℃- -8 7 0 ℃， 回火温度5 0 0 ℃
一
5 d 0 ¨ C，如此繁锁的工序不仅耗能大，增加成本，而且还影响产品质量。多 片等 截而
钢板弹簧装在汽车行驶中，由于材料本身缺陷戎工艺不当，装配不良等问题，造成多次
早期失效，有的由于变形严重使车架下降以致发动机油底壳撞地造成事故，现  多次失
效的实例取有代表性的介绍如下： 
二、钢板弹簧失效分析的事例： 
I ．B J 2 1 2 越野汽车的技术要求中规定：材料为6 0 S i   Mn 热处理后其硬 度要~HB 3 9 1 
4 61 
侧一
菜车在试车中连续断了六片，各片断裂时所行驶的里程见表一
( 1 )宏观检查情况见表一
出于片问接触不良，造成的挤压痕 ( 箭头处)经过宏观检查，疲劳源多数发生盎挤
压痘处鞠丸坑尖角处。 
照片 七
( 2 )化学成份分析： 
经过化验化学成份符台6 0 S i   Mn 材料要求。 
一
1 3 —  
一
14 — — 
9
嚣   毒
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衅  哥， 蚤  常   曲  《  毒  
表一
片  【 折 奸 时1 
号  f   篓 景   l 疲 劳 薄   断 
后 右 一  9 0 0 0 
前左五  9 8 3 0 
前右七  9 8 3 0 
前左七 j  1 0 4 0 
前左 一
置如箭
r   百 
所 示   l  m 于  贯 克 情 况 i 片 旧 接 触 情 况   后 控 奄   ( m)   l   J 口 但 臣 
( 5 )金相组织及硬度的检查结果见表=
49 
95 
95 
d 0 
50 
丸坑 呈
安 抬
丸坑 呈
尖  』 
丸坑呈
尖 角
丸 坑呈
尖 角
丸坑呈
尖 角
一 15 一 
无发珊裂纹 ． 但均有片 阆接触不良挤压痕
每片基本均有挤压痕迹 ， 见照片
墨
照片八 5 0 0 x   4   HN O   a 酒精溶液提蚀
经过以上检查竣钢板弹簧失效的主要原因是由干片间接触不良造成的挤压瘟阻及喷
丸尖角等缺陷所致。 
例二
某车在进符一万公里行车试验中，当行驶9 0 0 0 公里时，后左簧第一片折断，9 0 3 0 公
里时后布簧第二片折断，行驶1 0 4 0 0 公里，后右簧第一片折断，现将折 断 的板簧拆下检
查情况如下  ． 
( 1 )密观检查结果见表三
表 三
{ 疲劳谅至中心
I孔距 ( mm) 
两段
片间接触
喷 丸 情 况 ； 情  况 ： 醢 沈 禹 情 况 
I   l   凡 坑稀少  良 好 丸坑呈尖 角
2 ．化学成份分析 (   ) 
后 左一
一
1 6 一 
C
O． 6 3 
M n 
O． 7 3 
Si 
1． 7 4 
S 
O． 0 28 
P
0． 0 29  
钢板弹簧失效分析捡查情况如下； 
1 ．化学成份分析： (   ) 
C  M n   Si   S   P
O． 60   0． 78   1． 85   0． 028   0． 02 5 
经过化学分析成份符合6 0 S i   Mn 材料要求。 
2 ．硬度检查见表五
表五
片 号 f  心 部 硬 度( H R c )  f 片号 
3 ．金相组织
表六
心舒硬变 ( HRC ) 
经过检查
渡板黉硬室
不台络
片  盘 相 组 织  非盘属夹杂物
脱碳层深度 ( mm) 
号  ( 等 级)   臆 性  塑  性
片 1   回火届氏体 +条网状铁索体。 
相当标准 8级，见照片十五  l   2   0 ． 3 0 
2   同  上  1   2   0 ． 25 
8   同  上  1 ． 5   2   0 ． 3 O 
4   同  上  2   1 ． 5   0． 35 
5   同  上  2   2   0 ． 6 0 照片十六
8   回火屈氏体 +块状铗素体  岩   】 ． 5   O ． 】 8 
7   回火屈氏体 +条网铁索体  1 ． 5   1 ． 5   0 ． 2 5 
8   同  上  】 ． 5   l   0． 4 0 
9   同  上  】 ． 5   l   0． 1 5 
1 0   同  上  2   1 ． 5   0． 2 5 
—
18 一 
照片十五 5 0   0 x 
6   O   8   8   2   h   3   l   3   3   4 _ 
～ ～ ～ ～ ～一   5  9 {   O 一 
一 一   一 
} 7  9 —   3  3 4 3  3 一   ～ ～ ～ ～ ～一   6  6  9  5  7 - 
呈  
照片十六 5   0 0 x 以上均用4   HN O} 酒精藩液侵蚀
经过检查金相组织不良，而且表面脱碳严重，1 0 片样品，只有 2片在技术要求范围
内。 
2 ．B J 1 3 0 轻型载货汽车钢板弹簧技术要求材料为5 5 S i   Mn ，热处理 后 硬度HB 3 7 0 ～
4 4 9 ，台架试验要求>l O 0 万次。 
例一
某车在台架疲势试验时，当达2 0 万次时发现第六、第七两片断裂，N4 5 万次时第三
片也折断了，现将折断 的钢板弹簧进一步检查分析
( 1 )宏观： 
迹。 
断口距中心孔 的距离如图所示，在断口附近由于片间接触不良，形 成 一 条 挤压痕
圈 三
菥压疲 ． 藏蒡漉
在此位置
厚度
( 2 )化学成分， 经过化验， 除s i 的含量超出上限以外 ( S i 的上限2 ． 0 0   ， 实际化验出的
含量在2 ， 0 6   )其它元素均在要求范围，符合5 5 S i   z Mn 材料要求。 
( 3 )垒相组织及硬度的检查结果见表七
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表七
片七  I   同  上  2   l   1 ． 5   i   0 ．   5 
I   3   8 
l   3   9 
照片十七 5 0 0 x   照片十八 1 0 0 x 
均用4   HN O   8 酒精溶液浸蚀
经过检查，硬度低，表面脱碳严重而且金 阳组织也不好
例二
钢板弹簧进行台架疲劳试验，当达到2 1 万次，第十片折断，3 0 万次时第九片折断， 
现进行检查分析： 
( 1 )宏观：断口与受力方向垂直，断口形貌及疲劳源见照片十九、 二十， 板面光滑无
丸坑
照片十九
箭头所指处为疲劳源
( 2 )化学成甜检查 (   ) 1647