改善汽车悬架扭杆弹簧疲劳性能的方法

轻型汽车技术 2010（5/ 6）总 249/ 250技术纵横 改善汽车悬架扭杆弹簧疲劳性能的方法 余久锋 黄泽勇 （宁波跃进汽车前桥有限公司） 摘 要 本文通过对 LZ1020车型扭杆弹簧的热处理工艺、强化手段等改进的研究，总结出 改善汽车扭杆弹簧疲劳性能的方法。 关键词：疲劳 应力 脱碳层 回火温度 强化 LZ1020型汽车是整车厂在原成功的 6400底盘 基础上改进而成的车型，该车前悬架中的扭杆弹簧 只在原 6400 杆径为 φ19.6mm 的基础上改成 φ26mm、长度和端部花键未作改动，设计企图是在 相关零件改动最少、达到最大互换性的情况下提高 悬架的承载能力和抗超载能力。这种情况下，扭杆的 工作应力比 6400型要高出许多，表 1列出改动前的 6400型及改动后的 LZ1020型扭杆的应力比较。 若使用φ26mm扭杆，按常规推算出的动载角 为 45°，但从用户提供的有关资料看，其起初要求 的动载角为 52°。从表 1可看出，即使在动载角为 45°的情况下，花键部位的挤压应力和剪切应力也 超出正常范围，在动载角为 52°情况下超出更多， 此时扭杆杆部的扭转应力也超出一般取值范围。由 此引出如何从各方面着手，改善疲劳性能，使得扭杆 弹簧在应力取值超出一般范围情况下仍保证疲劳寿 命问题。 从相关资料和以往的经验看，影响扭杆疲劳寿 命的主要因素为材料、结构细节与表面状态、热处 理、表面冷作强化程度等。 针对影响扭杆疲劳寿命的因素，采取相应的措 施以提高扭杆寿命。 3.1 材料 不同的材料有不同的强度、塑性和韧性，这些 性能的搭配的不同，疲劳性能也不同。对高周疲劳， 应选择强度高的材料。 LZ1020 扭杆选材为 60Si2MnA，属 Si- Mn系弹簧钢，该钢具有高的抗拉 强度和高屈强比（σs／σb）、高的抗弹减性能，在 我国弹簧钢产量中，该钢约占 1/3，冶炼工艺成熟， 材料的纯度、晶粒度等均得到正常保证。由于这方 面而造成特殊疲劳源的可能性不大。从扭杆杆部和 花键处取样，通过(×400)光学显微镜观察,结果说明 了这一点：扭杆表面组织偏析不明显，心部组织偏 析、夹杂物分布在允许范畴之内，无明显的偏聚现 象，组织为均匀细致的回火屈氏体。而表面无明显 组织缺陷。可见，显微组织不是疲劳断裂的主要影 响因素。 有关资料推荐该钢可用于制造最大扭转应力 约为 880MPa的悬架扭杆。 1 问题提出 表 1 扭杆的工作应力 车型 参数 6400 LZ1020 动 载 角 为 56° 动 载 角 为45° 动载 角 为 52° 动载时扭杆杆部扭转应力（MPa） 781 736 850 动载时扭杆花键齿挤压应力（MPa） 188 406 471 动载时扭杆花键齿剪切应力（MPa） 96 217 251 2 影响扭杆疲劳寿命的因素 3 具体措施 22 轻型汽车技术 2010（5/ 6）总 249/ 250 技术纵横 ? 3.2 结构细节与表面状态 疲劳破坏起源于零件的薄弱环节，因此，必须减 少和改善薄弱环节，以提高疲劳寿命。LZ1020扭杆 的杆部与花键部位原以两个圆弧过渡，但由于该扭 杆的杆径接近花键小径，使得两个圆弧之间不能理 想圆滑过渡，形成尖角，对应力分布不利。后改用 30 锥角过渡，另外，表面粗糙度也严格控制，从而 减少由于结构细节和表面原因而引起的疲劳破坏。 3.3 热处理 3.3.1 一般地讲，抗拉强度高的材料，其疲劳强 度就高。为了提高疲劳强度，一般通过热处理提高硬 度、抗拉强度。但硬度过高，其韧性不足，且高硬度区 往往存在缺口应力集中敏感区，影响疲劳寿命（见 图 1）。另外，几次疲劳断裂的断口均呈脆断，说明硬 度偏高。因此，以不同的温度回火，寻找更合适的硬 度范围。表 2是不同回火温度的试制情况。 3.3.2 60Si2Mn 材料由于 Si 元素的存在增加 了脱碳敏感性，而热处理表面脱碳也影响疲劳寿命。 根据文献资料，Si- Mn 系弹簧钢表面脱碳层达 0.08mm时，疲劳寿命降低一半，达 0.12mm时趋于 平衡，参见图 2。表3试验中采用了充高纯氮作为 淬火加热的保护气，来降低脱碳层的深度。与表2 对比，表明扭杆的疲劳寿命有了提高。 3.3.3 热处理应力也影响扭杆的疲劳寿命。扭 杆经整体淬火后，表面组织应力表现为拉应力，心 部表现为压应力。而脱碳层的存在，增加了表面组 织应力，使表面拉应力增加，降低了疲劳寿命。中温 回火温度降低这些内应力，随着回火温度的提高， 内应力逐步趋于消失。用 X射线可以检测钢的内 应力在 100- 150℃回火时变化甚微,300℃仍残留较 大的内应力,300- 450℃回火时,应力急剧减小,高至 500- 600℃内应力基本消除，参见图 3。表面感应淬 火却使扭杆表面建立压应力，对扭杆的疲劳寿命很 有利。 3.4 表面冷作强化 表面冷作强化使工作区建立了残余压应力，有 效地提高零件的疲劳强度。 3.4.1 花键采用冷撮加工，即有冷作强化的效 果，花键表面建立了残余压应力，同时，保持了花键 部位材料的流线，使该部位的疲劳强度提高 22%～ 40%。 图 1 硬度与疲劳寿命的关系 表 2 未充高纯氮作保护气，不同回火温度的情况 序号 回火温度 脱碳情况 硬度 疲劳角 疲劳寿命 1 410℃ 半脱碳 0.06～0.08mm 49～51HRC 12～52° 5.7 万 2 450℃ 半脱碳 0.06～0.08mm 46～47HRC 12～52° 7.5 万 3 470℃ 半脱碳 0.05～0.06mm 44～46HRC 12～52° 9.8 万 图 2 脱碳对疲劳寿命的影响 表3 充高纯氮作保护气，不同回火温度的情况 序号 回火温度 脱碳情况 硬度 疲劳角 疲劳寿命 1 410℃ 脱碳不明显 49～51HRC 12～52° 6.1 万 2 450℃ 脱碳不明显 46.5～48HRC 12～52° 12.5 万 3 480℃ 脱碳不明显 43.5～45HRC 12～52° 56.8 万 23 轻型汽车技术 2010（5/ 6）总 249/ 250技术纵横 图 3 不同回火温度及回火时间对应力的影响 3.4.2 喷丸处理也产生残余压应力，也起冷作 强化的效果。在现有工艺条件下，喷丸处理后扭杆表 面产生 200～450Mpa的压应力，减轻扭杆表面微裂 纹、脱碳、凹凸缺口等缺陷的有害作用。表 4说明了 扭杆杆部喷丸处理和未喷丸处理的区别（花键部位 未喷丸）。 另外，喷丸区与未喷丸区之间必有一应力突变 区，这个应力突变区在交变应力作用下很容易产生 微裂纹，形成疲劳源。因此，传统上仅扭杆杆部和过 渡段进行喷丸、花键部位不喷丸（简称“半喷”），从 抗疲劳角度看是不合理的，表 5说明了这一点。因 此，在后来的生产中，采用杆部、过渡段和花键部位 都喷丸的方法（简称“全喷”）。 不过，全喷后，花键部位的表面质量会降低，较 严重的可能影响与齿套的装配。另外，丸粒选择过 粗时，花键根部的喷丸覆盖率不够，也使花键根部 造成应力突变区，不能提高扭杆的疲劳寿命，多次 疲劳失效的断口分析说明了这一点。因此，不同的 花键模数、不同的杆径、不同的粗糙度，宜选用不同 粗细的丸粒、采用不同的喷丸强度。喷丸时间过长， 效果也不一定好。 3.4.3 预扭强化（机械超载）是形成冷作强化 的有效方法，它使扭杆表面产生稳定的残余变形， 建立永久的残余压应力。预扭强化提高了扭杆单方 向的承载能力，使疲劳强度得到提高。但预扭强化 的深度不同，强化效果也不同。一般认为整体淬火 的扭杆，强化深度为扭杆杆径的一半最适宜，感应 淬火的扭杆，强化深度接近淬硬层为宜，超过此值， 效果不会增加。多年的生产实践表明，整体淬火的 扭杆，预扭施加应变γ=0.024，感应淬火的扭杆，预 扭施加应变γ=0.015，效果不错。 由于预扭强化只提高了扭杆单方向的承载能 力，因此，扭杆装配使用时，建立预紧力显得很重 要，因为预紧后可消除扭杆的载荷正负交变，有利 于提高疲劳寿命。不过，由于汽车平顺性的要求，扭 杆装配时都进行了预紧。 通过对扭杆结构改进、控制表面的脱碳层厚 度、降低回火后的硬度和残余应力，或通过表面强 化，均可不同程度地改善扭杆弹簧的疲劳性能。 对 60Si2MnA材料制造的扭杆而言，通过强化 途径使扭杆杆部及花键部位能承受更大的工作应 力。 参考文献 1 张庆如, 赵秉文,祁兮.《机械工程师实用简 明手册》 2 英国W. McCARDELL.《花键资料》 3 赵少汴,王忠保.《抗疲劳设计》 4 王书镇.《钢制扭杆弹簧的预扭处理》 表 4 喷丸处理效果 疲劳寿命 备 注 未喷丸 188201 断口在杆部，断口较平 喷丸 354498 断口在花键部位，呈 45°螺旋状 表 5 喷丸部位对疲劳寿命的影响 喷丸形式 总试样数 半 喷 13 全 喷 19 失效件数 通过疲劳件数 11 2 3 16 4 结 论 24